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  • 2021-03-07 17:18:01

    程序查询方式

    程序查询方式要求CPU时刻查询I/O设备,直到I/O设备准备好为止,这种方式CPU工作效率很低。

    程序中断方式

    程序中断方式比程序查询方式提高了CPU的工作效率,消除了“踏步”现象。

    DMA方式

    DMA方式中CPU的工作效率是这三种之中最高的一个。CPU启动I/O后,不必查询I/O是否准备好,当I/O准备就绪后,发出DMA请求,此时CPU不直接参与I/O和主存间的信息交换,只是把外部总线的使用权暂时交付DMA,仍然可以完成自身内部的操作,所以不必中断现行程序,只需暂停一个存取周期访存,CPU效率更高。

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  • 10.4 中断控制方式

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    10.4 中断控制方式 那原本为了好好看书好好进行运算(把CPU运算类比成看书),我就不出去吃中饭了,定了一份外卖。结果呢?为了能收到这份外卖,我不得不总是去校门口看一看外卖来了没有。看一遍,又看一遍,再看一...

    计算机组成

    10 输入输出设备

    10.4 中断控制方式

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.39.48 am

    那原本为了好好看书好好进行运算(把CPU运算类比成看书),我就不出去吃中饭了,定了一份外卖。结果呢?为了能收到这份外卖,我不得不总是去校门口看一看外卖来了没有。看一遍,又看一遍,再看一遍,再看一遍。那结果一上午,啥书都没有看成,这样就不合算了。我都还不如玩会儿游戏呢,折腾这个干嘛?那怎么解决呢?我们得追加投资,增加一个设备。我们装一部电话。然后跟送外卖的说好,你到了校门口就给我打电话。这样呢我就可以安心地坐在这先玩游戏了,玩的很开心,突然电话响了。“送外卖的,好好好,这就来,这就来“。这样我们就可以去拿了外卖回来吃,什么事都不耽误。这就是我们今天要说的中断控制方式

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.39.57 am

    在现在的计算机系统当中,如果完全依靠CPU进行输入输出,那是有问题的。比如说我们要通过键盘进行输入,那CPU怎么能保证及时发现键盘的输入呢?如果CPU不间断地去查询键盘的输入,显然是不合适的,这样CPU就无法完成其他的任务了。如果是间歇地查询呢?先做一段运算的任务,然后查看一下键盘。这样也有问题。这个间隔设置为多久合适呢?间隔设置的太短,还是影响CPU执行其他的任务。间隔设置的太长,又会造成键盘的输入无法得到及时的响应。所以,想要让这个系统正常的工作,我们还得用其他的方法。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.05 am

    这就是我们要介绍的第二种I/O控制方式,中断。之前我们已经知道了CPU是如何处理中断的,并且分析了内部中断的不同类型。那我们现在要谈的是外部中断。我们现在就来了解CPU是如何运用中断的方式来进行I/O控制的。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.13 am

    我们先来看一个数据输入的过程,还是用这个并行接口电路为例。之前在这个结构上我们已经讲解了如何用程序查询方式进行数据的传送。那想要实现中断控制方式,首先在这个并行接口电路当中,就需要有能够产生中断信号的逻辑电路,而且要把这个中断请求信号通过主板上的物理连线和CPU的中断输入接口连接起来。

    然后我们再来看软件操作的过程。在初始化时,CPU还是要执行OUT指令,将控制字写入到这个接口的控制计存器当中,设置接口的工作模式。然后CPU就可以去执行其他的任务了。当外设有数据输入的时候,就会将数据发到这个并行数据输入信号上,并且把输入准备好这个信号置为有效。而这个接口电路始终在检查输入准备好信号是否有效。一旦发现有效,就从并行数据输入信号上接收数据,放入到输入缓冲寄存器当中去。然后将输入回答信号置为有效,这是为了告诉外设暂时先不要发送新的数据。

    并行接口的这几步操作和程序查询方式下是一样的,区别在于这个期间CPU不用来反复地读取状态计存器以查询是否有输入的数据。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.22 am

    在数据已经保存到输入缓冲寄存器当中后,并行接口电路会通过中断控制逻辑将这个(绿色箭头)中断请求信号置为有效,同时会将状态寄存器当中输入缓冲满这个状态位置为有效。CPU在发现这个中断请求有效后,就进入了中断处理的过程。随后会进入我们专门为并行接口编写的中断服务程序,在这段中断服务程序当中,会首先使用in指令读入状态寄存器当中的状态字,因为这时CPU虽然是收到了中断请求,但它并不清楚是什么原因发生的中断。所以,它需要读出状态字,然后检查其中的各个状态位,发现是这个输入缓冲满的状态位有效了,这时才知道是因为有数据的输入发生的中断。那在这个中断服务程序当中,就会继续执行in指令,从这个输入缓冲寄存器当中读出数据。CPU可能会对这个读出的数据进行处理。但更多的时候,CPU会将输入的数据再通过存储器写指令,保存到设置在内存某处的一个缓存区当中。而在CPU将这个输入缓冲寄存器当中的数据读走之后,并行接口电路就会将输入回答信号置为无效。这就告诉外设可以继续接收下一个新数据了。如果这是一个键盘的接口,可能会过很久才会有一个新数据;如果这是一个网络的接口,可能会连续的有很多新的数据进来。刚才介绍的这段过程,就会不断地反复执行。输入的数据会不断地被CPU读走,再写到内存的某个地方。这样就构成了一大块数据输入的过程。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.29 am

    然后我们再来看看数据输出的过程。刚才说要用中断控制方式,是因为不知道输入什么时候发生。那输出是由CPU控制的,这难道也会不知道什么时候发生吗?这当然不是。那为什么要用中断控制方式呢? 我们不妨先来看一看这个过程。

    第一步还是设置接口的工作模式。然后当CPU需要输出时,就执行OUT指令,将数据写到接口的输出缓冲寄存器当中。然后接口将这个数据发到并行数据输出信号上,并将输出准备好置为有效。我们要注意的是,大多数对外接口的工作频率都是远远低于CPU的工作频率,而且外设很可能会处在没有准备好的状态。所以,如果不采用中断的方式,CPU在这时就不得不反复地读取状态寄存器,以确定当前的这个数据已经写到外设了,可以发送新的数据。那这样也就浪费了CPU的性能。所以,我们也可以采用中断控制的方式。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.39 am

    等到外设已经将这个数据取走之后,再由并行接口电路将中断请求信号(绿色箭头)置为有效。同时将状态寄存器当中的输出缓冲空状态位置为有效,这时CPU可能还在执行别的程序,在收到中断请求后,又进入了并行接口的中断服务程序。这和刚才数据输入过程发生的中断使用的是同一个中断向量,进入的也是同一个中断服务程序。这个中断服务程序的一开头,就会去读取状态寄存器,然后逐个检查其中的一个个状态位,这次发现的是输出缓冲空。所以,CPU就会将下一个要输出的数据再写到接口的输出缓冲寄存器当中去,从而开始了下一个输出过程。这样反复地执行刚才介绍的这几个步骤,我们就可以完成很多数据的输出了。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.47 am

    现在我们来分析一下中断控制方式的特点。

    先来看一看优点。有了中断控制方式,CPU就可以和外设在一定程度上并行的工作,提高了工作的效率,而且这也让外设有了申请服务的主动权。而不是像程序查询方式那样,CPU什么时候查到你了,才有可能为你提供服务。现在外设就可以在有需要服务的时候主动向CPU提出请求,这样在一定程度上,也满足了输入输出处理的实时性要求。

    然后我们再来看一看中断控制方式的缺点。它最大的缺点就是,输入输出数据的传送工作仍然用CPU来承担。这样就占用了宝贵的CPU运算资源,而且在存储器和外设之间进行数据的传送,这种方式仍然需要将数据先放到CPU当中的通用寄存器,这样通过CPU中转一次的传输过程就会显得很冗长,也影响了输入输出的性能。当然程序查询方式同样也有这些缺点。中断控制方式是节省了其中不断查询状态位的那些工作,但是中断的机制也引入了一些新的开销,比如要进入和退出中断服务程序,就需要执行额外的一些指令,这些指令和数据传送本身是没有关系的,而且在现在复杂的操作系统当中,这样额外指令的数目可能还是非常多的。

    Screen Shot 2018-09-30 at 10.40.55 am

    这样是不是说,中断方式就比程序查询方式要好呢?倒也未必。中断方式确实提高了整个系统运行的效率,但是对于一些特别重要的事情,程序查询方式反而能提高响应的速度。比如说你现在要等的不是快递,而是你的女朋友。那你就应该一早就到校门口去候着。一直在看,来了没?来了没??对吧。那么这样你女朋友到的第一时间,你就能接下来了。可你现在非要想着怎么提高系统的整体效率,就跟人家说,你到了之后就给我打电话,我接了电话就去找你。然后呢,你就呆在房间里玩游戏,玩得很高兴,玩啊玩,一会儿电话响了,你还不接。为什么呢?还得先存盘呢,保存现场,把菜单调出来,存,存,存。啊,存好了。存好了再准备接电话。结果电话不响了,人家生气了,走了。是啊,你倒是提高了整体系统运行的效率,以后能给你打电话的也只有快递员了。

    转载于:https://www.cnblogs.com/houhaibushihai/p/9745059.html

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  • DMA方式中断控制方式以及通道方式的区别

    千次阅读 多人点赞 2020-05-21 23:30:40
    DMA方式中断控制方式以及通道方式的区别1、DMA方式中断控制方式的主要区别2、DMA方式与通道方式的主要区别 1、DMA方式中断控制方式的主要区别 ①、中断控制方式在每个数据传送完成之后中断CPU,而DMA控制方式...

    1、DMA方式和中断控制方式的主要区别

    ①、中断控制方式在每个数据传送完成之后中断CPU,而DMA控制方式则在所要求的传送的一批数据传送结束时中断CPU

    ②、中断控制方式中的数据传送在中断处理时由CPU控制完成,而DMA控制方式则在DMA控制器下完成。不过,在DMA的控制方式中,数据的传送方向,存放数据的内存始址及传送数据的长度等信息仍然由CPU控制

    ③、中断控制方式以CPU为核心,而DMA方式以存储器为核心,因此DMA方式可与CPU并行工作。

    ④、中断控制方式传输的数据以字节为单位,而DMA方式传送批量数据,其基本单位为数据块(通常一个数据块包含若干字节)。

    2、DMA方式与通道方式的主要区别

    ①与DMA控制方式相加,通道控制方式所需的CPU干预更少,并且一个通道可以控制多台设备,进一步减轻了CPU的负担。

    对通道来说,可以使用一些指令来灵活改变通道程序,这一点DMA控制方式却无法做到。

    ③DMA方式需要CPU来控制传输数据块的大小、传输的内存位置,而通道方式中这些信息是由通道控制的。

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  • 中断的完整过程 中断设备接口组成 8259A中断控制器 程序中断方式应用场景 中断控制方式特点 直接存储访问(DMA) DMA控制器组成 DMA数据传送过程 DMA方式的问题 DMA方式特点 通道控制方式 通道的功能 通道的类型 ...

    本次笔记内容:
    P49 计算机组成原理(49)
    P50 计算机组成原理(50)

    我的计组笔记汇总:计算机组原理成笔记

    视频地址:计算机组成原理 清华大学刘卫东 全58讲 国家精品课程 1080P 更完

    幻灯片见我的 GitHub 仓库:计算机组成原理 src/slides

    本节课幻灯片:组成原理41 io.pptx

    教学内容安排

    • 第一讲:输入/输出系统概述和输入/输出方式
    • 第二讲:总线
    • 第三讲:接口电路和外部设备
    • 大实验答辩
    • 第四讲:课程总结
    • 期末考试

    主要教学内容

    • 输入输出系统的作用、功能及与其他系统的关系
    • 输入/输出系统组成
    • 要解决的问题
    • 输入/输出方式
      • 程序直接控制
      • 中断
      • DMA
      • 通道
      • 外围处理机

    计算机系统作用与功能

    与计算机外部交换信息的通道:

    • 早期
      • 穿孔机、纸带
    • 中期
      • 键盘、显示器、打印机、鼠标
    • 现在
      • 语音、图象、图形等多媒体数据(扫描仪、DC)
      • 计算机网络
    • 将来
      • 无所不在的计算、普适计算
      • 人机交互、脑机交互

    个人计算机的组成


    如上,主机在变小,外部设备越来越多。

    I/O 设备

    • 繁多的输入/输出设备
      • 功能多样
        • 满足各种要求
      • 服务对象不同
        • 人、计算机、其他设备
      • 数据传输率差别很大
        • 键盘、鼠标
        • 显示器、网卡
    • 多:种类繁多
    • 杂:功能繁杂
    • 异:速度不一

    如何管理外部设备?

    要解决的问题

    控制方式:

    • CPU如何控制输入/输出?(输入/输出方式)

    传输方式:

    • 传输通道、方式、速率等(总线、接口)

    数据识别和转换:

    • 数/模转换、语音识别等,转换为字符、数据等计算机能识别的格式(设备)

    输入输出方式

    • 程序直接控制:
      • CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备
    • 程序中断:
      • 外部设备请求,CPU响应,CPU与外设并行工作
    • 直接存储访问(DMA):
      • 专用输入/输出控制器
    • 通道
    • 外围处理机

    程序直接控制

    READSERIAL: // 读串口:将读到的数据写入v0低八位
    lui t1, %hi(SerialStat)
    .TESTR:
    lb t0, %lo(SerialStat)(t1) // 查看串口状态
    andi t0, t0, 0x0002 // 截取读状态位
    bne t0, zero, .RSERIAL // 状态位非零可读进入读
    nop
    j .TESTR // 检测验证
    nop
    .RSERIAL:
    lui t1, %hi(SerialData)
    lb v0, %lo(SerialData)(t1) // 读出
    jr ra
    nop
    

    CPU方:

    • 查询接口状态(循环等待)
    • 直到外设已经接收到该字符
    • 读字符

    外设方:

    • 往接口数据缓冲中送字符
    • 处理完后,置状态寄存器
    • 等待下一个字符

    但是此时,CPU一直在循环,什么也干不了。

    程序直接控制方式特点

    • 成本低
    • 效率低
    • 严重占用CPU资源
    • 适用情况
      • 早期计算机中高速设备

    程序中断方式

    • CPU和外部设备同时工作:
      • 外部设备发起请求
      • CPU暂停正在执行的程序,进行响应
      • 处理完成后,继续执行原来的程序
    • 提高CPU的效率
    • 可以同时管理多个外部设备

    中断的一些概念

    • 中断源
      • 外中断:I/O设备等
      • 异常(内中断):处理器硬件故障、程序“出错”,Trap
      • 中断触发器
      • 中断状态寄存器
    • 中断优先级
      • 响应中断的顺序
    • 禁止中断与中断屏蔽
      • 中断允许触发器(EI、DI)
      • 有选择封锁

    中断的完整过程

    • 中断请求
      • 中断源设备设置中断触发器
        • 每个中断源有1个中断触发器
        • 同时可设置1个中断屏蔽触发器
    • 中断响应
      • 响应条件
        • 允许中断、当前指令结束、优先级
      • 响应实现
        • 硬件实现的中断隐指令,保存断点
    • 中断处理
      • 保存现场信息
      • 运行中断服务程序
      • 中断返回

    中断响应时:除了保存下一条指令PC,还需要保存程序状态的寄存器。

    中断设备接口组成

    • 中断请求寄存器
    • 中断屏蔽寄存器
    • 优先级排队线路
    • 数据缓冲寄存器
    • 中断控制和工作状态逻辑
    • 设备选择器
    • 中断向量表

    8259A中断控制器


    如上,在图右侧,表示可以接 8 个中断设备。

    程序中断方式应用场景

    • CPU与外部设备并行工作
    • 硬件故障处理
    • 人机交互
    • 多道程序和分时操作
    • 实时处理(监控)
    • 应用程序和操作系统之间的联系
    • 多处理机中各处理机之间联系

    中断控制方式特点

    • 适用情况
      • 传输速度不高
      • 传输量不大
    • 对CPU干扰较大

    直接存储访问(DMA)

    • I/O设备和主存储器之间的直接数据通路,为专设的硬件,用于高速I/O设备和主存储器之间成组传送数据。
    • 数据传输过程由DMA自行控制
    • 主存储器需要支持成组传送
    • 数据传送开始前和结束后通过程序或中断方式对 DMA进行预处理和后处理
    • DMA工作方式
      • 独占总线方式
      • 周期窃取方式

    DMA控制器组成


    由中断,发现缺页:

    • DBR ,需要换一页出去,方向寄存器;
    • ADR 记录内存的起始地址;
    • WC 描述这页有多大;
    • MAR 描述哪个设备接收;
    • CSR 描述状态。

    DMA数据传送过程


    不会很打扰 CPU 。

    DMA方式的问题

    虚拟地址和实地址:

    • DMA采用实地址:虚拟地址连续,但实地址不连续
    • 采用虚拟地址:DMA进行虚实地址转换

    Cache一致性:

    • 主存中的数据可能不是最新的
    • 采用直接写会带来性能的降低
    • DMA查询Cache,降低性能
    • 直接设计硬件控制

    DMA方式的特点

    • 与设备一对一服务
      • 多DMA控制器同时工作可能发生冲突
    • 对CPU打扰适中
      • 初始化
      • 周期挪用
    • 无法适用大量高速设备的管理(矛盾在于 DMA卡是一对一工作)

    通道控制方式

    • I/O通道是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件,是一种能执行有限I/O指令集合——通道命令的I/O处理机。
    • 一对多的连接关系
    • 适应不同速度、不同种类的外部设备,可并行工作

    通道的功能

    • 根据CPU要求选择某一指定外设与系统相连,向该外设发出操作命令,进行初始化
    • 指出外设读/写信息的位置以及与外设交换信息的主存缓冲区地址
    • 控制外设与主存之间的数据交换
    • 指定数据传送结束时的操作内容,检查外设的状态

    通道的类型

    • 字节多路通道
      • 简单的共享通道,分时处理,面向低、中速字符设备
    • 选择通道
      • 选择一台外设独占整个通道,以成组传送方式传送数据块,效率高,适合快速设备
    • 数组多路通道
      • 上两种方式的结合,效率高,控制复杂

    外围处理机

    • 通道型处理机
      • 共享内存
    • 外围处理机
      • 通用计算机
      • 独立完成输入/输出功能
      • 通过通道方式与主机进行交互

    设计输入/输出系统

    • 性能
      • 考虑吞吐量和延迟
      • 适应各种不同类别的设备的性能的差异
      • 从操作系统、驱动程序等各方面综合考虑
      • 考虑到设备性能的提高
    • 可扩展性
      • 允许更多的设备接入到输入/输出系统
    • 可适应性
      • 设备有无
      • 设备故障

    输入/输出系统

    • 输入/输出设备多,功能复杂,速度不一
    • 多种控制方式,解决速度不一的问题,尽量少地占用CPU资源
    • 操作系统管理
    • 硬件直接支持
    • 与不同的设备有直接的依赖关系(驱动程序)
    • 尽量使设备使用统一的标准——虚拟设备
    展开全文
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  • STM32的NVIC向量中断控制器概述

    千次阅读 2019-06-17 11:50:20
    1、NVIC 的寄存器以存储器映射的方式来访问,除了包含控制寄存器和中断处理的控制逻辑之外,NVIC 还包含了 MPU、 的控制寄存器、 SysTick 定时器以及调试控制。 2、NVIC 共支持 1 至 240 个外部中断输入。NVIC 还...

空空如也

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中断控制方式的特点