计算机软考程序员教程：输入输出方式

在计算机系统中，有多种输入输出方式，包括程序控制、中断、DMA和通道等。那这多种输入输出方式具体内容有哪些呢？

1. 程序控制工作方式

指在程序的控制下进行数据传送，是CPU与外设之间交换信息的最简单形式，包括：

(1)无条件传送方式。传送数据之前不查询外设状态而直接执行输入或输出命令，这种方式下的外设总处于"待命"状态，可根据其固定的或已知的时序，将I/O指令插在程序中，当程序执行到该条指令时，就开始输入或输出数据。这种方式最简单，但是可靠性不高。

(2)条件传送方式。也称为查询传送，CPU通过执行程序不断读取并测试外设状态，若输入设备处于准备好状态或输出设备处于空闲状态，则CPU执行I/O指令与外设交换信息，这要求接口电路中除了有数据端口外，还要有状态端口。它比无条件传送可靠，使用面也广，但这种方式要求CPU不断检测外设状态，占用了CPU大量时间，效率不高。

2. 中断工作方式

中断方式可以克服查询方式的低效问题，当CPU执行到I/O请求时，向I/O控制器发出相应指令后，CPU并不等待，而是继续执行其它操作。由于CPU无需等待I/O控制器与外设的数据交换，所以效率得到了提高。

中断是指在CPU执行程序的过程中，由于某一外部或CPU内部事件的发生，使CPU暂时中止正在执行的程序，转去处理这一事件，当该事件处理完毕后又回到原先被中止的程序，接着中止前的状态继续向下执行。

引起中断的事件称为中断源。其中，由CPU内部产生的中断称为内部中断，它包括溢出中断、除法错中断、断点中断、软中断及单步中断;由CPU外部产生的中断称为外部中断，它包括可屏蔽中断和非屏蔽中断。

CPU接到中断请求后，如果是当前允许的中断，那么要停止正在执行的代码，并把内部寄存器入栈，这个过程不能再次被打断，所以要先关中断，入栈完后再开中断。这个过程应该尽量短，以防止错过了其它中断，该过程消耗的时间称为中断响应时间。然后再执行中断处理程序，一般都比较简单，就是设置一些标志位，做简单的数据处理而已，其它更耗时的处理由非中断程序完成。中断处理完成后要恢复现场，把入栈寄存器出栈，继续执行被中断的程序，这个过程消耗的时间称为中断处理时间，该时间大小与中断类型、应用类型有关，也不是一味求短，现在大多数CPU都支持多极中断，在执行中断时还可以响应其它中断，形成中断嵌套。

当有多个中断源时，通常采用下述方法确定需要处理的中断：

(1)直接相连法：每个中断源使用自己的中断请求信号和CPU相连，由于CPU的外部中断引脚个数有限，所以这种方式适用于中断源不是很多的情况。

(2)统一的中断请求：由CPU使用专门程序一次判断是哪个中断源的请求，通过查询的次序，可以实现中断的优先级控制。

(3)硬件查询法：由一条中断确认信号链和输入、输出设备相连，某个外设发出中断请求后，中断确认信号开始在各外设间传递，发出中断请求的外设响应这个信号。

(4)总线仲裁：外设需先得到总线控制权，发出中断请求，最后将设备号通过数据总线发给CPU,由总线仲裁机制决定可以发信号的外设。

(5)中断向量表：是一张保存不同中断处理程序入口地址的表格，里面的记录称为"中断向量",CPU根据中断号查询该表，可以得到中断处理程序的入口地址。

3. DMA工作方式

该方式采用DMA控制器DMAC执行数据传送，DMAC从CPU处接管系统总线控制权，发出控制信号使数据通过总线直接在存储器和I/O设备之间进行传送。其工作过程如下：

(1)I/O设备向DMAC发出DMA请求信号，要求进行数据传送。

(2)DMAC向CPU发出总线请求信号HRQ.

(3)CPU完成当前总线周期后，暂停操作，向DMAC发响应DMA请求的回答信号HLDA,并交出总线控制权，由DMAC接管总线。

(4)DMAC向存储器发存储器地址信号。

(5)DMAC发读/写控制信号，在存储器与I/O设备之间传送一个字节数据。

(6)每传送一个字节，DMAC的地址寄存器加1.字节计数器减1.

(7)检测传送是否结束，若为结束则转入(4)继续数据传送，否则DMAC将总线控制权交还给CPU,CPU继续原来的操作。

因为DMA方式仅仅在需要占用总线传送数据时才暂停CPU操作，因此CPU的工作效率极高。虽然DMAC能够代替CPU接管总线执行数据传送，但二者还是有很大的差别。CPU能识别系统指令，具有运算判断、处理各种事件的能力，它不但使用总线还管理总线。而DMAC只能识别少数几种命令字，其主要功能是完成数据传输，它想使用总线时必须向CPU发出申请。

4. 通道控制方式

通道是一种专用控制器，它通过执行通道程序进行I/O操作管理，为主机与I/O设备提供一种数据传输通道。用通道指令编制的程序存放在存储器中，当需要进行I/O操作时，CPU只要按约定格式准备好命令和数据，然后启动通道即可;通道则执行相应的通道程序，完成所要求的操作。用通道程序也可完成较复杂的I/O管理和预处理，从而在很大程度上将主机从繁琐的I/O管理工作中解脱出来，提高了系统效率。