7.3 I/O控制方式详解

1.程序查询方式

工作流程

①检查CPU状态寄存器是否busy。
不 busy 后，CPU发送（要打印的）数据到数据缓冲寄存器。
打印机开始工作，同时把状态寄存器设置为busy。
CPU速度比打印机快很多，打印机工作的时候，计算机发送询问，重复第①步
- ==程序查询方式有两种：独占查询。定时查询。==
打印机完成后，发送ready信号，busy位清零。
CPU可以打印下一个数据。
所有数据打印完成后，CPU向I/O接口的控制寄存器发送结束命令。

一次传输一个字

例题

从例题中可以看出，程序查询方式对慢速设备没影响，但是对于查询次数多的设备不支持。所以需要别的IO交互方式才行。
特点：CPU原地踏步。
优点：接口设计简单，设备量少。
缺点：费时。

2.程序中断方式

==工作流程==

1.中断请求

中断源（io设备）向CPU发送中断请求信号。
- 中断源如何发送请求信号？
- ==中断请求标记触发器==：①每个中断源都有一个，记录中断事件并区分不同的中断源。②“1”表示某个中断源有请求。
- 中断请求标记触发器 VS **==中断触发器==**：中断触发器是CPU内部的。负责开/关中断。一个CPU只有一个中断触发器。

2.中断响应

响应中断的条件：

中断源有中断请求。
CPU开中断
一条指令执行阶段完毕（且没有更紧迫的任务）。

中断==响应（优先级）==判优：如果响应了，而且多个请求源，需要根据判优原则响应一个中断源。

硬件判优（快）：by硬件排队器
软件判优（慢）：by查询程序
判优优先级固定设置：

3.中断处理⭐

==①中断隐指令==

保存==PC旧值==和==PSW==，让PC指向中断服务程序的第一条指令。
由==硬件==自动完成，而不是软件，为了保证可靠和安全。
①==关中断==
②保存断点（存入堆栈或者指定单元）
③查询中断源入口/==引出中断服务程序（让PC指向新值）==⭐
- 软件查询法：（非向量中断）
- 硬件中断向量法（指针的指针）：
  - （排队器输出）→中断向量地址形成部件→==向量地址（内容是====中断向量）== → ==（中断向量的内容就是）入口地址==。

==②执行中断服务程序==

①==保护现场（by软件完成，通用寄存器）==，【和==屏蔽字==】注：【多次中断用】
【==开中断==】
②执行中断服务（不同设备不同操作）【】
【关中断】
③恢复现场和屏蔽字。
【开中断】
④中断返回指令。==【中断服务程序的最后指令是中断返回，而不是无条件转移！中断返回的不同之处还得返回寄存器的内容！】==
- 注：中断服务程序在内核态下进行，而不是用户态（不然也就无法实现多重中断了）

断点和现场的对比：

断点的保存由==硬件==实现。
现场可被指令访问，通过==软件==（中断服务程序）实现保存。

多重中断（中断嵌套）

多次中断：执行中断服务程序时，可相应新的请求。

==中断优先级==，包括 ==响应优先级== 和 ==处理优先级==。

==响应==优先级==不可动态改变==⭐
==处理==优先级可以==利用中断屏蔽技术动态调整。==（决定多个中断服务程序执行完的⭐次序，因为是决定本中断是否能被打断。）

中断屏蔽技术

每一个中断源都有一个屏蔽触发器，对应一个屏蔽字
**==屏蔽字==**：可以屏蔽某些中断（eg低速设备屏蔽高速设备的中断，自己不被打扰）。
- ==“1”越多，优先级越高。==
优点：可以调整多次中断的优先级。

CPU执行程序的轨迹

程序中断方式

1.准备阶段：当IO设备在准备（外部设备）数据的时候，CPU执行现行程序。

2.请求阶段：IO设备准备好后，会给CPU发送中断请求（信号）。

3.响应阶段：CPU执行完当前指令（地址K的指令）后。

CPU执行中断隐指令：关中断。保存断点。引出中断服务程序（找到入口地址送PC）。

4.执行中断服务程序：

保护现场
执行IO传送
恢复现场
返回主程序

5.继续执行：CPU从断点（原程序K+1）继续执行主程序。外设开始准备下一个数据。

==程序中断方式缺点：虽然说CPU不用等待了，但是会被频繁打断（尤其是高速外设）==

小结

3.DMA方式

==工作流程（DMA控制器）==

预处理：

请求：当**==外设==准备好传送数据（如输入数据已准备好或可接收新数据）时，会向DMA控制器==发送DMA请求**==。
接管： DMA控制器收到请求后，会向CPU发送**==总线请求==**（希望占用总线）。
响应： CPU在当前==总线周期结束后⭐==（若支持，则在**==总线周期/机器周期/总线事务末尾==响应），向DMA控制器发送==总线响应==**信号，并释放总线控制权（CPU暂停访存）。
控制： **==DMA控制器接管总线控制权==**，进入DMA操作周期。

数据传送：

寻址： DMA控制器将内部地址寄存器中的主存地址送上地址总线，用于定位数据在内存中的位置。
计数：每次传送一个数据字后，DMA控制器会自动修改（递增或递减）主存地址计数器，并递减传送长度计数器。
控制：根据操作类型（DMA读/写），DMA控制器发出I/O读或写信号控制外设，同时发出存储器写或读信号控制内存。==数据直接在外设与内存之间传送，无需经过CPU。⭐==【注：DMA在和主存交互数据时通过==周期窃取==方式，窃取的是存取周期】

后处理：

检测： DMA控制器检测到传送长度计数器的值变为零（或外部传送结束信号），表示预定的==数据块==已传送完毕。
通知： DMA控制器向CPU发送DMA中断请求信号，通知CPU数据传送已完成。
处理： CPU响应中断，执行==中断服务程序==做DMA结束处理。
恢复：中断服务程序返回后，CPU继续执行之前被打断的主程序。

DMA控制器的结构

结构：中断机构。控制/状态逻辑。DMA请求触发器。主存地址计数器。传递长度计数器。数据缓冲寄存器。

三总线结构下的访存冲突

CPU和DMA控制器的访存冲突，如何解决？

a.停止CPU访问主存（DMA接口向CPU发出停止信号，完成了再通知）

b.DMA和CPU交替访存

c.周期挪用（周期窃取）（主存**==存取周期==**）

IO设备需要访存的时候，挪用一或多个存取周期

三种IO控制方式对比⭐

==DMA的数据传送是硬件控制==（即CPU只需进行预处理和后处理）。==中断的数据传送是程序控制==（要有保存和恢复现场）。
==DMA的响应，在每个机器周期（总线周期？）结束==均可【取址间址等之后均可】，总线空闲即可响应DMA请求

程序查询方式	中断方式	DMA方式
CPU与外设==串行==工作，传送与主程序==串行==工作	CPU与外设==并行==工作，传送与主程序==串行==工作	CPU与外设==并行==工作，传送与主程序==并行==工作
一次传输一个字	一次传输一个字	一次传输==一个数据块==
	外设准备时间必须大于等于中断处理时间	–
both		在数据传送的底层，主存地址加1、计数器减1
		优先级：高于外中断（非屏蔽中断，可屏蔽中断）
CPU和打印机直接交换数据	CPU和打印机直接交换数据	DMA控制器（DMAC）“代理”和打印机交换数据

异常和中断小例子

访存缺页（虚拟存储器失效），内部中断。
浮点数上溢：（超过浮点数表示范围）内部中断。
配有通道的计算机，用户程序需要输入输出，引起的中断是：==访管中断==，内中断。
定时器到时，外部中断。
网络数据包到达，外部中断。
cache缺失，no，正常现象。
浮点数下溢：no，当作机器零处理。