（1）Cache的原理和作用
Cache的工作原理基于對(duì)大量典型程序運(yùn)行實(shí)例的分析。分析結(jié)果表明，在較短的時(shí)間間隔內(nèi)，由程序產(chǎn)生的地址往往集中在存儲(chǔ)器邏輯地址空間很小的范圍內(nèi)。指令地址的分布又是連續(xù)的，加上循環(huán)程序和子程序段的重復(fù)執(zhí)行，對(duì)這些地址的訪問(wèn)自然具有時(shí)間上集中分布的傾向。這種對(duì)局部范圍的存儲(chǔ)器地址頻繁訪問(wèn)，而對(duì)此范圍外的地址訪問(wèn)甚少的現(xiàn)象稱為程序訪問(wèn)的局部性。程序訪問(wèn)的局部性為Cache的引入提供了理論依據(jù)。
Cache是緩沖技術(shù)在存儲(chǔ)體系中的一個(gè)具體應(yīng)用。Cache處于主存與CPU之間，負(fù)責(zé)解決主存與CPU之間速度的協(xié)調(diào)問(wèn)題。Cache中存放著主存的一部分副本（主存中的部分內(nèi)容），當(dāng)存儲(chǔ)器接到有關(guān)讀取指令時(shí)，先在Cache中查找此信息是否存在，若有則不經(jīng)主存直接從Cache中取出;否則直接從主存中取出，同時(shí)寫(xiě)入Cache，以備再次使用。當(dāng)向存儲(chǔ)器寫(xiě)入內(nèi)容時(shí)，由輔助硬件采用各種方法保證主存中的內(nèi)容同Cache中的內(nèi)容保持一致。
為保證寫(xiě)入時(shí)兩者內(nèi)容一致的方法有:①將內(nèi)容同時(shí)寫(xiě)入主存和Cache;②數(shù)據(jù)僅寫(xiě)入主存，若Cache中有此內(nèi)容則將其釋放;③數(shù)據(jù)只寫(xiě)入Cache，在規(guī)定的時(shí)候?qū)⑿薷倪^(guò)的Cache的內(nèi)容寫(xiě)入主存。
Cache的主要特點(diǎn)是:①存取速度快，一般Cache的速度完全可以跟上CPU的運(yùn)算速度;②存儲(chǔ)量小，由于Cache的速度快，其價(jià)格也相當(dāng)昂貴，因此為保證整個(gè)存儲(chǔ)器的性能價(jià)格比，一般采用適當(dāng)容量的Cache，其容量小于主存。
（2）磁盤(pán)緩沖技術(shù)
磁盤(pán)緩沖技術(shù)的目的是減少由于主、輔存之間的速度差異對(duì)計(jì)算機(jī)總體性能的影響。磁盤(pán)是存儲(chǔ)系統(tǒng)中的輔助部分，其主要作用是用來(lái)存儲(chǔ)不常用的數(shù)據(jù)和程序等信息，減輕對(duì)主存容量的需求壓力。由于磁盤(pán)中的信息不能被計(jì)算機(jī)的其他部件直接調(diào)用，因此在信息的輸入/輸出過(guò)程中必須在主存中開(kāi)辟一定的空單位，作為與磁盤(pán)上信息交換的中間過(guò)渡區(qū)域稱為磁盤(pán)緩沖區(qū)。如從鍵盤(pán)（輸入設(shè)備）向磁盤(pán)中輸入一個(gè)信息，此信息必須通過(guò)總線先輸入到主存中的特定區(qū)域中，通過(guò)程序控制將信息存放到主存中對(duì)應(yīng)于磁盤(pán)輸入/輸出的一個(gè)特定區(qū)域內(nèi)，然后將此信息轉(zhuǎn)存到磁盤(pán)上。一般將主存中對(duì)應(yīng)于磁盤(pán)的特定區(qū)域稱為磁盤(pán)緩沖區(qū)。
為了提高磁盤(pán)的讀寫(xiě)速度，操作系統(tǒng)一般根據(jù)程序運(yùn)行的需要設(shè)置磁盤(pán)緩沖區(qū)的大小及輸入/輸出操作。同Cache技術(shù)相類(lèi)似，不立即覆蓋磁盤(pán)緩沖區(qū)的內(nèi)容，當(dāng)系統(tǒng)需要繼續(xù)讀入磁盤(pán)中的信息時(shí)，首先檢查磁盤(pán)緩沖區(qū)中是否有所需要的信息，若有則直接使用，否則根據(jù)信息的位置將磁盤(pán)上特定扇區(qū)的內(nèi)容調(diào)入磁盤(pán)緩沖區(qū)后再加以使用。這樣可以提高磁盤(pán)的信息讀取速度，減少因磁盤(pán)存取速度慢對(duì)系統(tǒng)整體性能的影響。
九、輸入與輸出系統(tǒng)
1.輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展
輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致分為五種方式，即程序控制的輸入輸出方式、中斷方式，DMA方式、輸入/輸出通道方式和I/O處理機(jī)等五種方式。
程序查詢方式和程序中斷方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較低的外部設(shè)備。而DMA方式、通道方式和I/O處理機(jī)方式適用于數(shù)據(jù)傳輸率比較高的設(shè)備。目前，小型機(jī)和微型機(jī)大都采用程序查詢方式、程序中斷方式和DMA方式。通道方式、I/O處理機(jī)方式大都用在中、大型計(jì)算機(jī)中。為了介紹方便，我們把通道方式和I/O處理機(jī)方式視為一種方式。
2.程序查詢方式
程序查詢方式又叫程序控制I/O方式。在這種方式中，數(shù)據(jù)在CPU和外部設(shè)備之間的傳送完全靠計(jì)算機(jī)程序控制，是在CPU主動(dòng)控制下進(jìn)行的，當(dāng)輸入/輸出時(shí)，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行輸入/輸出的服務(wù)程序，根據(jù)服務(wù)程序中的I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。
這是一種最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)的輸入/輸出方式。它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機(jī)器都具有程序查詢方式。特別是在微、小型機(jī)中，常用程序查詢方式來(lái)實(shí)現(xiàn)低速設(shè)備的輸入輸出管理。
3.程序中斷方式
“中斷”概念的提出，是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重大變革。在程序中斷方式中，某一外設(shè)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒后，它“主動(dòng)”向CPU發(fā)請(qǐng)求中斷的信號(hào)，請(qǐng)求CPU暫時(shí)中斷目前的工作而進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)CPU響應(yīng)這個(gè)中斷時(shí)，便暫停運(yùn)行主程序，并自動(dòng)轉(zhuǎn)移到該設(shè)備的中斷服務(wù)程序。當(dāng)中斷服務(wù)程序結(jié)束以后，CPU又回到原來(lái)的主程序。其原理和調(diào)用子程序相仿，不過(guò)，這里要求轉(zhuǎn)移到中斷服務(wù)子程序的請(qǐng)求是由外部設(shè)備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機(jī)出現(xiàn)的服務(wù)。
4.DMA方式
（1）DMA方式的基本概念
直接訪問(wèn)內(nèi)存DMA方式，是一種完全由硬件執(zhí)行I/O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU中完全接管對(duì)總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過(guò)CPU，而直接在內(nèi)存儲(chǔ)器和I/O設(shè)備之間進(jìn)行。DMA方式一般用于高速地傳送成組的數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號(hào)、修改地址、對(duì)傳送的字的個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)，并且以中斷方式向CPU報(bào)告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因此就省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，也不象中斷方式那樣，要進(jìn)行保存現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)之類(lèi)的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)等，也不是由軟件實(shí)現(xiàn)，而是用硬件線路直接實(shí)現(xiàn)的。DMA的種類(lèi)很多，但各種DMA至少能執(zhí)行以下一些基本操作:①?gòu)耐獠吭O(shè)備發(fā)出DMA請(qǐng)求;
②CPU響應(yīng)請(qǐng)求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器從CPU接管總線的控制;③由DMA控制器對(duì)內(nèi)存尋址，即決定數(shù)據(jù)傳送的內(nèi)存單元首地址及數(shù)據(jù)傳送個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)，并執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送的操作;
④向CPU報(bào)告DMA操作的結(jié)束。
（2）DMA技術(shù)的出現(xiàn)，使得外部設(shè)備可以通過(guò)DMA控制器直接訪問(wèn)內(nèi)存，與此同時(shí)，CPU可以繼續(xù)執(zhí)行程序。那么DMA控制器與CPU怎樣分時(shí)使用內(nèi)存呢?通常采用以下三種方法:①停止CPU訪問(wèn);②周期挪用;
③DMA與CPU交替訪問(wèn)。
（3）基本的DMA控制器
一個(gè)DMA控制器實(shí)際上是采用DMA方式的外部設(shè)備與系統(tǒng)總線之間的接口電路。這個(gè)接口電路是在中斷接口的基礎(chǔ)上再加DMA機(jī)構(gòu)組成。習(xí)慣上將DMA方式的接口電路稱為DMA控制器。①內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器
用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳送前，需通過(guò)程序?qū)��?shù)據(jù)在內(nèi)存中的起始位置（首地址）送到內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每交換一次數(shù)據(jù)，將地址計(jì)數(shù)器加“1”，從而以增量方式給出內(nèi)存中要交換的一批數(shù)據(jù)的地址。②字計(jì)數(shù)器
用于記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長(zhǎng)度（多少字?jǐn)?shù)）。其內(nèi)容也是在數(shù)據(jù)傳送之前由程序預(yù)置，交換的字?jǐn)?shù)通常以補(bǔ)碼形式表示。在DMA傳送時(shí)，每傳送一個(gè)字，字計(jì)數(shù)器就加“1”，當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，表示這批數(shù)據(jù)傳送完畢，于是引起DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。③數(shù)據(jù)緩沖寄存器
用于暫存每次傳送的數(shù)據(jù)（一個(gè)字）。當(dāng)輸入時(shí)，由設(shè)備（如磁盤(pán)）送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，再由緩沖寄存器通過(guò)數(shù)據(jù)總線送到內(nèi)存。反之，輸出時(shí)，由內(nèi)存通過(guò)數(shù)據(jù)總線送到數(shù)據(jù)緩沖寄存器，然后再送到設(shè)備。
④“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志
每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)字后給出一個(gè)控制信號(hào)，使“DMA”請(qǐng)求標(biāo)志置“1”。該標(biāo)志置位后向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請(qǐng)求，后者又向CPU發(fā)出總線使用權(quán)的請(qǐng)求（HOLD），CPU響應(yīng)此請(qǐng)求后發(fā)回響應(yīng)信號(hào)HLDA，“控制/狀態(tài)”邏輯接收此信號(hào)后發(fā)出DMA響應(yīng)信號(hào)，使“DMA請(qǐng)求”標(biāo)志復(fù)位，為交換下一個(gè)字做好準(zhǔn)備。⑤“控制/狀態(tài)”邏輯
它由控制和時(shí)序電路，以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送類(lèi)型（輸入輸出），并對(duì)“DMA請(qǐng)求”信號(hào)和CPU響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。⑥中斷機(jī)構(gòu)
當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出時(shí)（全0），意味著一組數(shù)據(jù)交換完畢，由溢出信號(hào)觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷報(bào)告。這里的中斷與前面介紹的I/O中斷所采用的技術(shù)相同，但中斷的目的不同，前面是為了數(shù)據(jù)的輸入或輸出，而這里是為了報(bào)告一組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束。因此它們是I/O系統(tǒng)中不同的中斷事件。
5.通道方式
（1）通道的功能
DMA控制器的出現(xiàn)已經(jīng)減輕了CPU對(duì)數(shù)據(jù)輸入輸出的控制，使得CPU的效率有顯著的提高。而通道的出現(xiàn)則進(jìn)一步提高了CPU的效率。這是因?yàn)橥ǖ朗且粋�(gè)具有特殊功能的處理器，它有自己的指令和程序?qū)ｉT(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制，而CPU將“傳輸控制”的功能下放給通道后只負(fù)責(zé)“數(shù)據(jù)處理”功能。這樣，通道與CPU分時(shí)使用內(nèi)存，實(shí)現(xiàn)了CPU內(nèi)部運(yùn)算與I/O設(shè)備的并行工作。
通道的基本功能是執(zhí)行通道指令、組織外部設(shè)備和內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，按I/O指令要求啟動(dòng)外部設(shè)備，向CPU報(bào)告中斷等，具體有以下五項(xiàng)任務(wù):
①接受CPU的I/O指令，按指令要求與指定的外部設(shè)備進(jìn)行通信;
②從內(nèi)存選取屬于該通道程序的通道指令，經(jīng)譯碼后向設(shè)備控制器和設(shè)備發(fā)送各種命令;③組織外部設(shè)備和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，并根據(jù)需要提供數(shù)據(jù)中間緩存的空間，以及提供數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的地址和傳送的數(shù)據(jù)量;
④從外部設(shè)備得到設(shè)備的狀態(tài)信息，形成并保存通道本身的狀態(tài)信息，根據(jù)要求將這些狀態(tài)信息送到內(nèi)存的指定單元，供CPU使用;
⑤將外部設(shè)備的中斷請(qǐng)求和通道本身的中斷請(qǐng)求，按次序及時(shí)報(bào)告CPU。
（2）通道類(lèi)型
根據(jù)通道的工作方式，通道可分為:
①選擇通道。②數(shù)組多路通道。③字節(jié)多路通道。④通道適配器。
6.外部設(shè)備
外部設(shè)備分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、輸入輸出兼用設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備和過(guò)程控制設(shè)備等。
（1）輸入設(shè)備
（2）輸出設(shè)備
（3）漢字設(shè)備
（4）數(shù)據(jù)通信設(shè)備
（5）過(guò)程控制設(shè)備