程序中断与DMA：提升I/O效率的关键技术

在计算机组成原理的第八章第一节中，主要探讨了外围设备的信息交换方式，包括程序查询方式、程序中断方式和直接内存访问（DMA）方式。这些方法在处理设备间的数据传输时各有优缺点。 1. **程序查询方式**：这是最基本的I/O方式，数据传输完全由程序控制。CPU通过不断查询设备状态来完成数据交换，优点是CPU和外设操作同步，硬件结构简单，但缺点是效率低，因为CPU会频繁地中断当前任务进行查询，适用于小型处理机，尤其是在处理速度较慢的外设时。 2. **程序中断方式**：外设通过中断信号通知CPU，中断服务程序负责处理数据传输。这种方式的优点在于节省了CPU时间，因为数据传输可以在后台进行，而不会阻塞CPU执行其他任务。然而，硬件结构复杂，服务处理过程可能会带来额外的时间开销，适合处理周期性或突发性的I/O请求。 3. **直接内存访问（DMA）方式**：DMA采用全硬件控制，由DMA控制器独立于CPU控制数据在内存和外设之间的传输，极大提升了数据传输速度，适用于内存与高速外设间的大量数据交换。这种方式牺牲了CPU的直接控制权，但提高了整体系统性能。 4. **通道方式**：引入通道机制，如输入输出处理器（IOP），让CPU将部分I/O管理职责交给通道，这可以提高CPU的效率，特别适合大型计算机，但需要额外的硬件支持。 外围设备的控制方式包括两种编址方式：统一编址和独立编址。统一编址将I/O设备视为内存的一部分，共用同一地址空间；而独立编址则区分内存和I/O地址，使用专用的I/O指令组。此外，I/O指令通常负责设置控制、读取状态和数据传输，而接口则是连接总线和外设的关键组件，确保信息按系统需求进行转换。 程序查询方式虽然简单，但效率较低，而中断和DMA方式则提供了更高的效率和性能，特别是当处理大量数据或对时间敏感的I/O操作时。通道方式进一步提升了CPU的灵活性，但成本也更高。理解并选择合适的I/O控制方式对于优化计算机系统的性能至关重要。