计组学习第七天 IO方式06.20

程序查询方式

通过程序查询的方式调用IO
特点：主机执行IO程序，不停发送询问信号，根据返回信息决定自己操作
就是CPU执行IO程序不断查询IO状态，在这时候CPU就只专注于IO，等待IO准备完毕。
优点：接口设计简单、设备量少
缺点：CPU浪费太多时间等待。

程序中断方式

中断的主要功能

1. 处理CPU和IO设备的并行工作（通过中断实现并行）
2. 处理硬件故障和软件错误
3. 实现人机交互，用户干预机器
4. 实现多道程序分时操作
5. 实时处理
6. 管态（机器操作）和目态（用户态）的切换，软中断（在操作系统中详解）
7. 多处理器系统中的处理器之间的通信
   总结：只要是需要切换或者打断的操作都要用到中断

中断的优先级

使用硬件排队器实现判定优先级

1. 不可屏蔽中断 > 内部异常 > 可屏蔽中断
2. 内部异常中：硬件故障 > 软件中断
3. DMA中断请求优先于IO设备传送的中断请求
4. 在IO传送中断请求中：高速设备 > 低速设备，输入设备 > 输出设备， 实时设备 > 普通设备

CPU响应中断的条件

1. 中断源有请求
2. CPU允许中断（开中断），当然异常和不可屏蔽中断不受此限制
3. 一条指令执行完毕（异常不受此限制），CPU只会在一条指令执行完后检查INTR或者NMI，如果是内部异常，就不用检查来自两条中断线的请求就能发现。

中断响应过程

先关中断，防止保存程序断点和现场信息的时候被打扰
然后保存断点，保留原程序的PC和PSW内容。
引出中断服务程序，识别中断源（硬件向量法和软件查询法），将中断处理程序的地址送入PC，执行。

中断向量

中断向量和中断向量表：
中断向量就是中断执行程序的入口地址
中断向量表就是储存类型号对应入口地址的一张表
CPU响应中断后，识别中断源获得类型号，计算出中断向量的地址，根据中断向量表中获得中断处理程序的地址。

中断执行过程

首先是响应中断，包括上述的三个过程，由隐指令（硬件自动）实现
然后执行中断服务程序：
4. 保存现场（用户可见的工作寄存器内容）和中断屏蔽字（该中断屏蔽什么别的中断）
注意：现场信息因为可用指令访问所以通常用中断程序（软件）将其保存，而断点信息CPU自动记录，也就是用硬件将其保存。
5. 开中断，这时候可以被打断了，允许更高优先级的中断打断
6. 执行具体中断服务程序
7. 关中断，要恢复现场不能打断
8. 恢复现场和屏蔽字
9. 开中断，中断返回，继续回去执行原本的程序

多重中断

相当于中断的时候还能执行别的中断
CPU必须满足以下条件：

1. 必须提前设置开中断指令
2. 优先级别高的中断源有权利中断优先级别低的

中断处理优先级是通过中断屏蔽技术实现的，也就是中断屏蔽字告知处理优先级。

DMA方式

DMA是完全由硬件组成的进行成组信息传送的控制方式，相当于直接在外设和内存中开辟出一条通道，不用CPU进行处理。所以成为直接存储器存取方式。硬件开销大，此时，中断仅用于故障和正常传送结束后CPU的介入处理。

DMA特点

1. 主存既可以被CPU访问，也可以被外设访问
2. 地址的确认和传送数据的计数均由硬件电路实现
3. 主存要配合开辟专用缓冲区（通道的速度比不上主存内部的存取速度）
4. CPU和外设能做到真正意义上的并行操作
5. 传送开始前通过程序预处理，结束时调用中断后处理。

三个DMA传送方式

停止CPU访存：每次IO设备有DMA请求时，DMA控制器（DMA接口）给CPU一个停止信号，让CPU挂起停止访问主存，直到DMA传送数据结束，结束后DMA控制器通知CPU让CPU可以访问主存。
周期挪用：当IO设备有DMA请求的时候，会出现三种情况

1. CPU不在访存，此时没有冲突
2. CPU正在访存，等到访存完毕后让出总线
3. CPU同时访存，出现冲突，CPU要暂时放弃，因为IO访存优先级高于CPU访存。IO挪用几个存取周期传点数然后释放。
   交替访存：假如CPU工作周期大于存取周期，可以在工作周期中划分出一部分专供DMA访存，剩下一部分专供CPU访存。

DMA传送过程

1. 预处理：CPU先执行一些IO指令测试IO设备，然后初始化DMA控制器。IO准备好数据，然后把相关信息传送给DMA控制器（发送请求给DMA控制器），然后IO外设发送DMA请求给DMA控制器，DMA控制器发送总线请求给CPU。DMA请求来自外设
2. 数据传送：DMA开始传送数据，以单字节或者字或者数据块为单位。此阶段完全由DMA控制
3. 后处理：DMA控制器向CPU发送中断请求，CPU执行中断服务程序做DMA结束处理。

DMA方式和中断方式的区别

DMA刚开始发送的请求有别于中断，是不用保存上下文的。

1. 中断需要保护和恢复现场，DMA不中断现行程序，只有预处理和后处理才占用CPU资源
2. 中断响应必须在指令执行完毕后（执行周期后），而DMA请求响应在机器周期结束后（取指、间址、执行周期后均可）就行。（我觉得可能是总线的存取周期有关，每次对总线的存取都需要检验总线请求）
3. 中断传送需要CPU的干预，而DMA传送不需要CPU的干预，数据传输率高
4. DMA请求优先级高于中断请求
5. 中断方式能处理异常事件，DMA适合大批数据传送
6. 中断方式靠程序传送，DMA靠硬件方式传送。
   注意：DMA方式无需保存现场，哪怕在数据传送后执行中断
   DMA方式不会修改通用寄存器，不用保存。