IO传输方式

轮询方式

希望 CPU 也能掌管 IO 的资源

CPU 不断询问外设的状态，直到外设准备好就开始进行数据传送

1. 初始化：控制寄存器
2. 状态检查（错误、忙）：状态、控制寄存器
3. 传送处理：数据寄存器
4. 错误处理
   1. 查看状态寄存器外设有无错误
   2. 数据检查错误（校验）CPU 参与

繁忙率是百分百，设备是独占的

虚拟化

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程序中断方式

认为 CPU 应该专注于计算，对输入输出放权，对外设能够单独处理数据

外设的准备过程不需要 CPU 干预，只是汇报

CPU 运行两类程序：

1. 数据传输：中断服务子程序（用 RETI 恢复 PSW，CS：IP）
2. 主程序

中断指的是中断主程序取执行中断服务子程序

外设能够发起请求、CPU 能够接受并响应

请求和响应之间因为是中断，所以一定会有间隔至少一条指令。之后中断转子程序

从优先级的角度来看，主程序的优先级最低，中断服务主程序之间有优先顺序（可变的）

程序的切换（中断响应过程）是由硬件完成的：执行中断隐指令。

在这个过程中不允许新的中断

1. 保护现场，call
   1. PC → EPC
   2. PSWR（程序状态字） → 堆栈或 WPSWR
2. 确定 call 的是哪个子程序，有硬件和软件两种实现方式（确定入口）
   1. x86 下通过硬件按优先级识别中断，得到中断类型号，有中断向量在内存中，保存 cs 和 ip。CPU 增加两个引脚：INT 接收请求，INTA 应答
   2. MIPS 下通过软件识别，通过设置异常状态寄存器（Oause），使用一个统一的异常处理程序（入口 0x8000 0180）

x86 中断处理

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DMA 方式

CPU 不需要干预传送过程，交给 DMA 控制器 直接存储器存取（Direct Memory Access）

中断方式： 对 I/O 请求响应慢。每传送一个数据都要等待外设的中断请求，并增加许多中断响应和中断处理前、后的附加开销（保护断点、现场等），不能及时响应 I/O 请求。 数据传送速度慢。数据传送由软件完成（由 CPU 执行相应的中断服务程序来完成)，速度慢 。

DMA 方式适用场合： 高速设备（如：磁盘、光盘等） 成批数据交换，且数据间间隔时间短，一旦启动，数据连续读写

每当高速设备准备好数据，就进行一次“DMA 请求”，DMA 控制器接受到 DMA 请求后，申请总线使用权。当申请成功的时候，将缓冲区中的数据成批的搬移到内存中。 DMA 控制器的总线使用优先级比 CPU 高（类似于中断）（决策问题）外设传送失败的代价比 CPU 运算失败的代价更高

与中断控制方式结合使用：

• DMA传送前，“寻道”“旋转”等操作结束时，通过“中断”告知 CPU
• 在 DMA 控制器控制总线进行数据传送时，CPU 执行其他程序
• DMA传送结束时，要通过“DMA 结束中断”告知 CPU 来执行检查工作

由于 DMA 接口和 CPU 共享主存，所以可能出现两者争用主存的现象，为使两者协调使用主存，DMA 通常采用以下三种方式进行数据传送。

• CPU 停止法 (成组传送) DMA 传输时，CPU 脱离总线，停止访问主存，直到 DMA 传送一块数据结束。
• 周期挪用 (窃取) 法 (单字传送) DMA 传输时，CPU 让出一个总线事务周期，由 DMA 控制总线来访问主存，传送完一个数据后立即释放总线。
• 交替分时访问法 每个存储周期分成两个时间片，一个给 CPU，一个给 DMA，这样在每个存储周期内，CPU 和 DMA 都可访问存储器。

采用 DMA 方式传送数据时，每传送一个数据就要用一个存储周期

功能：

1. 请求。能接收外设发来的“DMA 请求”信号，并能向 CPU 发“总线请求”信号。
2. 响应。当 CPU 发出“总线响应”信号响应请求后，能接管对总线的控制。
3. 修改主存地址。能在地址线上给出主存地址，并自动修改主存地址。
4. 识别传送方向。能识别传送方向以在控制线上给出正确的读写控制信息。
5. 确定传送数据个数。
6. 能发出 DMA 结束信号。引起一次 DMA 中断，进行数据校验等一些后处理。

DMA 传输过程

1. 当外设准备好数据，或准备好接收数据时，发“选通”信号，使数据送数据缓冲寄存器，同时 DMA 请求触发器置“1”。
2. DMA 请求触发器向控制/状态端口发“Ready”信号，同时向 DMA 控制器发“DMA 请求”信号。
3. DMA 控制器向 CPU 发“总线请求”信号。
4. CPU 完成现行机器周期后，响应 DMA 请求，发出“总线响应”信号。DMA 控制器接受到该信号后，发出“DMA 响应”信号，使 DMA 请求触发器复位。此时，CPU 浮动它的总线，让出总线控制权，由 DMA 控制器控制总线。
5. DMA 控制器给出内存地址，并在其读/写线上发出“读”或“写”命令，随后在数据总线上给出数据。
6. 根据读写命令，将数据总线上的数据写入存储器中，或写入数据端口，并进行主存地址增量，计数值减 1，
   1. 若采用“CPU 停止法”，则循环第 6 步，直到计数值为“0”。
   2. 若采用“周期挪用法”，则释放总线（下次数据传送时再按过程 (1) 到 (6) 进行）。

DMA 和中断方式的区别

1. DMA 方式下数据传送由硬件 (DMA 控制器) 完成；中断方式下，数据传送由软件（CPU 执行中断服务程序）完成。
2. DMA 请求的是对存储器访问，也即对总线控制权的请求，没有中止现行程序的必要；而中断请求要处理器转去执行中断服务程序，因此要中止现行程序，保存断点、现场等。
3. 中断除了能完成外设和主机的数据交换，还能处理异常事件；而 DMA 方式下不能处理异常事件。
4. 中断响应在一个指令周期结束后；而 DMA 响应是在一个总线周期后。
5. DMA 方式用于高速设备；而中断方式用于低、慢速设备。
6. DMA 方式下，外设与 CPU 并行度高；而中断方式下，外设与 CPU 并行度低。（体现在数据传送时的并行性）

接口类型

1. 选择型：在物理上连接多个设备；在逻辑上只允许连接一个设备
2. 多路型：在物理上连接多个设备；在逻辑上允许连接多个设备同时工作 通道传输模式

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因此现代的架构为多 PU 架构（多处理单元），超异构架构，CPU 不再是唯一的核心了，而只是只会执行指令的计算

今几年出现以数据为驱动

零拷贝技术

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常用的 I/O 编址方式有两种：I/O 与内存统一编址和 I/O 独立编址。特点：I/O 与内存统一编址方式的 I/O 地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O 设备和主存占用同一个地址空间，cPU 可像访问主存一样访问 I/O 设备，不需要安排专门的 I/O 指令。I/O 独立编址方式时机器为 I/O 设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时 I/O 地址与主存地址是两个独立的空间，cPU 需要通过专门的 I/O 指令来访问 I/O 地址空间。

CPU 与 I/O 之间传递信息常采用三种联络方式：直接控制（立即响应）、同步、异步。

使用场合： 直接控制（轮询）适用于结构及简单、速度极慢的 I/O 设备，CPU 直接控制外设处于某种状态而无需联络信号。 同步方式（中断）采用统一的时标进行联络，适用于 CPU 与 I/O 速度差不大，近距离传送场合 异步方式采用应答机制进行联络，适用于 CPU 与 I/O 速度差较大，远距离传送的场合。

程序直接控制方式：也称查询方式，采用该方式，数据在 CPU 和外设间的传送完全靠计算机程序控制，CPU 的操作和外围设备操作同步，硬件结构简单，但由于外部设备动作慢，浪费 CPU 时间多，系统效率低。 程序中断方式：外部设备准备就绪后中断程序通知 CPU，在 CPU 相应 I/O 设备的中断请求后，在暂停现行程序的执行，转为 I/O 设备服务可明显提高 CPU 的利用率，在一定程度上实现了主机和 I/O 设备的并行工作，但硬件结构复杂，服务程序的开销大。 DMA 方式与中断方式一样，实现主机和 I/O 设备并行工作，由于 DMA 方式直接依靠硬件实现贮存于 I/O 设备之间的数据传送，传送期间不需要 CPU 程序干预，CPU 可继续执行原来的程序，因此，CPU 利用率和系统效率比中断方式更高，但 DMA 方式的硬件结构更为复杂

程序查询方式：主要用于 CPU 不太忙且传送速度不高的情况下。 中断方式：主要用于 CPU 的任务比较忙的情况下，尤其适合实时控制和紧急事件的处理。 DMA 方式（直接存储器存取方式）：主要用于高速外设进行大批量数据传送场合。