I/O操作技术



对I/O操作有三种可能的技术：可编程I/O、中断驱动I/O、直接内存存取（DMA）

1. 可编程I/O

   当处理器正在运行程序并遇到一个与I/O相关的指令时，它通过给对应的I/O模块发命令来运行这个指令。使用可编程I/O操作时，I/O模块运行请求的动作并设置I/O状态寄存器中对应的位，它并不进一步通知处理器，尤其是它并不中断处理器。

   因此处理器在运行I/O指令后，还要定期检查I/O模块的状态，以确定I/O操作是否已经完毕。

   假设使用这样的技术，处理器负责从内存中提取数据以用于输出，并在内存中保存数据以用于输入。I/O软件应该设计为由处理器运行直接控制I/O操作的指令。包含检測设备状态、发送读命令或写命令和传送数据，因此指令集中包含下面几类I/O指令：

   控制：用于激活外部设备。并告诉它做什么。

   状态：用于測试与I/O模块及其外围设备相关的各种状态条件。

   传送：用于在存储器寄存器和外部设备间读数据或写数据。

   缺点：这是一个耗时的处理，处理器总是处于没实用的繁忙中。

2. 中断驱动I/O

   处理器给模块发出I/O命令，然后继续做其它一些实用的工作。当I/O模块准备好与处理器交换数据时，它将打断处理器的运行并请求服务。

   处理器和前面一样运行数据传送，然后恢复处理器曾经的运行过程。

   缺点：因为数据中的每一个字不管从存储器到I/O模块还是从I/O模块到存储器都必须通过处理器处理，这导致中断驱动I/O仍然会花费非常多处理器时间。

3. 直接内存存取

   对于前面两种形式的I/O。处理器都须要主动干预在存储器和I/O模块之间的数据传送，而且不论什么数据传送都必须全然通过处理器。

   因此前两种I/O形式由双方面固有的缺陷：

   1. I/O传送速度受限于处理器測试设备和提供服务的速度

   2. 处理器忙于管理I/O传送的工作。必须运行非常多指令以完毕I/O传送

当须要移动大量的数据时，须要使用一种更有效的技术：直接内存存取（DMA）。DMA功能能够由系统总线中一个独立的模块完毕，也能够并入到一个I/O模块中。

不论採用哪种形式，该技术的工作方式例如以下所看到的：当处理器要读或写一块数据时，它给DMA模块产生一条命令。发送下面信息：

• 是否请求一次读或写

• 涉及的I/O设备的地址

• 開始读或写的存储器单元

• 须要读或写的字数

  之后处理器继续其他工作。

  处理器把这个操作托付给DMA模块，由该模块负责处理。

  DMA模块直接与存储器交互。传送整个数据块，每次传送一个字（16位系统）。这个过程不须要处理器參与。当传送完毕后，DMA模块发一个中断信号给处理器。因此仅仅有在開始传送和传送结束时处理器才会參与。

  DMA模块须要控制总线以便于存储器进行数据传送。

  因为在总线使用中存在竞争，当处理器须要使用总线时要等待DMA模块。注意，这并非一个中断，处理器没有保存上下文环境去做其它的事情，而是只暂停一个总线周期（在总线上传送一个字的时间（16位系统））。其总的影响是在DMA传送过程中，当处理器须要訪问总线时处理器的运行速度会变慢。

下面是三种技术的流程图：

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