I／O数据传输控制方法

1. 考点：I/O 数据传输控制方式

• 效率特点​：从上到下，I/O 数据传输控制方式的效率​越来越高。

1.1 1. 程序控制（查询）方式

• 分类​：分为无条件传送和程序查询方式两种。

• 特点：方法简单，硬件开销小，但 I/O 能力不高，严重影响 CPU 的利用率。

• 3.2.1 程序控制（查询）方式的详细分类

  • 无条件传送（同步传送） ：

    • 特点：外设总是准备好的。接口电路认为外设随时可以接收或发送数据，CPU 无需查询外设状态，直接执行指令进行数据传输。
    • 适用场景：极其简单、速度固定的低速外设（如按键、LED指示灯）。

  • 程序查询方式（条件传送） ：

    • 特点：外设的状态是随机的。CPU 必须通过执行查询程序，定期或持续读取外设的状态标志（如“准备就绪”位），直到外设准备好后才进行数据传输。
    • 适用场景：一般慢速外设（如键盘输入、打印机输出）。
    • 缺点：在等待外设就绪的过程中，CPU 往往处于“忙等待（Polling）”状态，长期占用 CPU 资源，导致系统效率低下。

1.2 2. 程序中断方式

• 特点​：与程序控制方式相比，中断方式因为 CPU 无需等待而​提高了传输请求的响应速度。

1.3 3. DMA方式

• 特点​：DMA 方式是为了在主存与外设之间实现高速、批量数据交换而设置的。
• 优势：DMA 方式比程序控制方式与中断方式都高效。
• 工作过程：DMAC 向总线裁决逻辑提出总线请求；CPU 执行完当前总线周期即可释放总线控制权。此时 DMA 响应，通过 DMAC 通知 I/O 接口开始 DMA 传输。

1.4 4. 通道方式（考试暂时不涉及）

• 特点：引入专用通道处理机，进一步将 CPU 从繁重的 I/O 操作中解放出来，实现 CPU、通道和I/O设备的高效并行工作。

1.5 5. I/O 处理机（考试暂时不涉及）

• 特点：又称外围处理机，拥有独立的指令系统，能实现更复杂、更大规模的 I/O 控制与数据处理。

• 补充概念（总线周期） ：

  • CPU 对存储器和 I/O 接口的访问，是通过总线实现的。
  • 通常把 CPU 通过总线对微处理器外部（存储器或 I/O 接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。

2. 考点：中断处理过程（程序中断方式）

• 无需等待/查询：CPU 无需等待，也不必轮询查询 I/O 状态。

• 发出请求：当 I/O 系统准备好以后，主动发出中断请求信号通知 CPU。

• 保存现场与断点​：CPU 收到中断请求后，保存正在执行程序的现场（​保存现场​），此时被打断的程序当前位置即为​断点。

• 跳转服务程序​：通过中断向量表找到对应的入口地址，转入 I/O 中服务程序的执行，完成 I/O 系统的数据交换。

• 恢复现场​：服务程序执行完毕后，返回被打断的程序继续执行（​恢复现场）。

• 核心概念补充：

  • 断点：被中断程序暂停执行的下一条指令地址（或当前指令位置）。
  • 中断向量表​：用来保存所有中断服务程序入口地址的表格，CPU 通过它快速寻址跳转。

3. 经典例题

3.1 题目一

题目：计算机运行过程中，CPU需要与外设进行数据交换。采用（ B ）控制技术时，CPU与外设可并行工作。

• A、程序查询方式和中断方式
• B、中断方式和DMA方式
• C、程序查询方式和DMA方式
• D、程序查询方式、中断方式和DMA方式

解析：

• 程序查询方式​：CPU 需要持续循环查询外设状态（忙等待），在此期间 CPU 无法处理其他任务，因此 CPU 与外设不能并行工作。
• 中断方式：在 I/O 准备数据的过程中，CPU 可以继续执行自己的程序；只有当 I/O 准备就绪发送中断请求时，CPU 才暂停当前程序去处理。这使得 CPU 与外设在宏观上实现了并行工作。
• DMA方式：数据交换由硬件（DMAC）直接在主存和外设之间进行，完全不需要 CPU 执行程序来搬运数据，CPU 可以完全解放出来执行其他任务，实现了真正的硬件级并行。
• 综上所述，支持 CPU 与外设并行工作的控制技术是中断方式和​DMA方式。

正确答案：B。

3.2 题目二

题目​：计算机运行过程中，遇到突发事件，要求CPU暂时停止正在运行的程序，转去为突发事件服务，服务完毕，再自动返回原程序继续执行，这个过程称为（ B ），其处理过程中保存现场的目的是（ C ）。

• 第一空选项：

  • A、阻塞
  • B、中断
  • C、动态绑定
  • D、静态绑定

• 第二空选项：

  • A、防止丢失数据
  • B、防止对其他部件造成影响
  • C、返回去继续执行原程序
  • D、为中断处理程序提供数据

解析：

• 第一空：这种“暂停当前程序 $\rightarrow$ 转去处理突发事件 $\rightarrow$ 返回原程序继续执行”的机制，正是计算机中典型的中断处理过程。
• 第二空：保存现场（即保存当前程序的断点、寄存器状态等）的核心目的，是为了在中断服务程序执行结束后，能够准确无误地恢复原先的执行环境，从而返回去继续执行原程序。

正确答案：B、C。