I/O操作技术

作者:wswbdfei 和服务器相关  


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

    当处理器正在执行程序并遇到一个与I/O相关的指令时,它通过给相应的I/O模块发命令来执行这个指令。使用可编程I/O操作时,I/O模块执行请求的动作并设置I/O状态寄存器中相应的位,它并不进一步通知处理器,尤其是它并不中断处理器。因此处理器在执行I/O指令后,还要定期检查I/O模块的状态,以确定I/O操作是否已经完成。

    如果使用这种技术,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执行直接控制I/O操作的指令,包括检测设备状态、发送读命令或写命令和传送数据,因此指令集中包括以下几类I/O指令:

    控制:用于激活外部设备,并告诉它做什么。

    状态:用于测试与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,处理器总是处于没有用的繁忙中。

  2. 中断驱动I/O

    处理器给模块发出I/O命令,然后继续做其他一些有用的工作。当I/O模块准备好与处理器交换数据时,它将打断处理器的执行并请求服务。处理器和前面一样执行数据传送,然后恢复处理器以前的执行过程。

    缺点:由于数据中的每个字无论从存储器到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仍然会花费很多处理器时间。

  3. 直接内存存取

    对于前面两种形式的I/O,处理器都需要主动干预在存储器和I/O模块之间的数据传送,并且任何数据传送都必须完全通过处理器。因此前两种I/O形式由两方面固有的缺陷:

    1. I/O传送速度受限于处理器测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,必须执行很多指令以完成I/O传送

    当需要移动大量的数据时,需要使用一种更有效的技术:直接内存存取(DMA)。DMA功能可以由系统总线中一个独立的模块完成,也可以并入到一个I/O模块中。不论采用哪种形式,该技术的工作方式如下所示:当处理器要读或写一块数据时,它给DMA模块产生一条命令,发送以下信息:

  • 是否请求一次读或写

  • 涉及的I/O设备的地址

  • 开始读或写的存储器单元

  • 需要读或写的字数

    之后处理器继续其它工作。处理器把这个操作委托给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)。这个过程不需要处理器参与。当传送完成后,DMA模块发一个中断信号给处理器。因此只有在开始传送和传送结束时处理器才会参与。

    DMA模块需要控制总线以便于存储器进行数据传送。由于在总线使用中存在竞争,当处理器需要使用总线时要等待DMA模块。注意,这并不是一个中断,处理器没有保存上下文环境去做其他的事情,而是仅仅暂停一个总线周期(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,当处理器需要访问总线时处理器的执行速度会变慢。

    以下是三种技术的流程图:




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