第七章 I/O

KEY POINTS

1、常见的外设有哪些

2、I/O模块，为什么需要I/O模块、I/O模块的功能、掌握完成I/O模操作需要完成的三种技术

3、编程式I/O，执行过程，两方面CPU和I/O模块，共享公共总线时，两种寻址方式，各有什么特点，如何区分

4、中断驱动式I/O，过程如何，结合中断，掌握中断的处理机制，设计时要考虑识别中断设备的技术，四种方式分别是什么

5、DMA是什么，为什么效率更高，可采用哪些方式与CPU复用内存：块传送、周期窃取、交替方式、各自如何处理

6、I/O通道，I/O通道的概念、功能、分类、最大传输率的计算与应用

外围设备种类繁多

提供不同数量的数据

以不同的速度

根据不同的计时顺序

以不同的格式

都比 Cpu 和 Ram 慢

外围设备不直接连接到系统总线 , 需要 I/O 模块

I/O模块

CPU和内存的接口

接口到一个或多个外设

I/O 模块化架构旨在提供系统的方法来控制与外部世界的交互，并为 OS 提供信息以有效管理 I/O 活动

7.1 外设

人类可读

屏幕、打印机、键盘

机器可读

磁盘和控制器

通信

网络接口卡

一些设备如下：

1、键盘/监视器

信息交换的基本单位是字符

2、磁盘驱动器

包含两部分：一是与I/O模块交换数据、控制和状态信号，二是用于控制磁盘的读/写机制

7.2 I/O模块

模块功能

I/O模块的功能如下：

Control & Timing 控制与定时

CPU ~ I/O Communication 处理器通信

Device ~I/O Communication 设备通信

Memory ~ I/O communication 存储通信

Data Buffering 数据缓冲

Error Detection 检错

控制从外设到处理器的数据传送包括以下几个步骤：

1️⃣ 处理器查询I/O模块，检查所连设备的状态

2️⃣ I/O模块返回设备状态

3️⃣ 如果设备状态正常且就绪，CPU通过向I/O模块发出命令，请求数据传送

4️⃣ I/O模块获得来自外设的一个数据单元(8位或者16位)

5️⃣ 数据从I/O模块传送到处理器

I/O communication

命令译码command decoding: I/0 模块接受来自处理器的命令，这些命令一般作为信号发送到控制总线。例如，一个用于磁盘驱动器的I/0模块，可能接受READ SECTOR (读扇区)、WRITE、SECTOR (写扇区)、SEEK (寻道)磁道号和SCAN (扫描)记录标识等命令。后两条命令中的每条都包含一个发送到数据总线上的参数。

数据交换data exchange:数据是在处理器和I/0模块间经由数据总线来交换的。

状态报告:由于外设速度很慢，所以知道I/O模块的状态很重要。例如，如果要求-一个I/O模块发送数据到处理器( 读操作),而该I/0模块仍在处理先前的I/O命令而对此请求未能就绪，则可以用状态信号来报告这个事实。常用的状态信号有忙( BUSY)和就绪(READY)，还有报告各种出错情况的信号。

地址识别:正如存储器中每个字对应一个地址- -样，每个I/0设备也有地址。因此，I/O模块必须能识别它所控制的每个外设的唯一地址 。另一方面，V0模块必须能进行设备通(devicecommunication),通信内容包括命令、状

Data Buffering 数据缓冲

这是I/O模块的一个重要作用

Error Detection 检错

包括硬件故障(纸张堵塞)与传输错误(位错误、数据损失)

模块结构

地址线、控制线是CPU的，I/O设备的地址通过I/O模块识别

数据线将零碎的控制信息作为参数进行传输：比如奇偶页信息；含义明确的控制信号通过控制线传输

I/O模块决策

支持多个或单个设别

将设备属性隐藏或揭示给CPU

控制设备功能/离开CPU

7.3 编程式I/O

对于编程式I/O programmed I/O，数据在处理器和I/O模块之间交换，处理器通过执行程序来直接控制I/O操作，包括检测设备状态、发送读或写命令、以及传送数据

CPU 在发出 I/O 命令时等待 I/O 模块完成操作，会浪费CPU

执行过程

1️⃣ CPU遇到一条I/O指令

2️⃣ 它通过向I/O模块发送一个命令来执行它，并等待I/O模块就绪

3️⃣ I/O模块执行命令，然后在I/O状态寄存器中设置适当的位

4️⃣ CPU定期检查状态位，直到它发现操作完成

为了执行与I/O相关的指令，处理器发送一个指定具体I/O模块和外设的地址，并发送一条I/O命令。当I/O模块被处理器寻址时，它可能会就收四种I/O命令：

控制命令、测试命令、读命令、写命令

当处理器、主存和I/O共享一条公共总线时，编址方式主要有两种：

存储器映射式memory-mapped

设备和内存共享地址空间

I/O看起来就像存储器read/write

没有针对I/O的特别命令

分离式isolated

单独的地址空间

需要I/O或存储器选择线

有I/O特殊命令：指令集不会太多

优势

简单、处理器完全在控制中

缺点

耗费CPU

解决方案

使用中断机制

7.4 中断驱动(interrupt driven)I/O

处理器发送一个I/O命令道模块，然后去处理其他有用的工作，当I/O模块准备与处理器交换数据时，它中断处理器以请求服务，然后处理器执行数据传送，最后恢复原来的处理工作

中断信号的发出由I/O自控

中段处理过程

中断源的识别

1️⃣ 多条中断线

2️⃣ 软件轮询式

当处理器检测到一个中断时，进入中断服务程序，轮询每一个I/O模块来确定时哪一个模块产生的中断

3️⃣ 链式查询(硬件轮询)

所有I/O模块共享一个共同的中断请求行为，一旦CPU感受到中断，中断识别就会从链上发送下来。

硬件轮询更快、但是对故障很敏感

4️⃣ 仲裁式

采用中断向量

模块必须占用总线才能引起中断

7.5 Direct Memory Access直接存储访问

编程式和中断式的缺点

编程 I/O 需要占用所有 CPU 时间 中断驱动的 I/O 仍需要主动 CPU 干预，尽管 CPU 使用效率高于编程 I/O（传输率较低)

数据的传输必须通过CPU，转移率有限

当传输大量数据时，DMA 是一种更高效的技术

DMA概念

DMA控制器从CPU接管I/O，无需CPU干预就可以将数据块传输到内存或者从内存中获取

对总线的使用优先级上：DMA>CPU

CPU和DMA的数据传输模式：

1️⃣ block transfer mode 块传输方式

2️⃣cycle stealing mode 周期窃取式

DMA 仅在 CPU 不需要时才使用总线，或迫使 CPU 暂时停止运行

DMA 传输一个字的数据，然后释放总线

DMA 交错传输指令和数据

3️⃣transparent mode 透明方式

DMA结构

DMA结构如下：

DMA不用解析地址，直接将地址信号传给后面的I/O设备，让其进行判断

DMA操作

预处理：CPU通知DMA控制器

阅读/写作

设备地址

数据内存块的始地址

要传输的数据量

CPU 继续开展其他工作

数据传输：DMA控制器处理传输（逐字传输）

后处理：DMA控制器在完成后发送中断

一块数据传输完以后才发送中断，不像中断驱动一个字终中断一次

DMA Transfer Cycle Stealing

前两种方式的缺点

I/O传送速度受处理器测试和服务设备速度的限制。

处理器负责管理 I/O传送，对于每一次的 I/O传送，处理器必须执行很多指令

DMA的特点

DMA控制器按周期掌管总线

传输一个字的数据

不是一个中断，CPU不切换上下文

CPU在进入总线前暂停

会使CPU速度变慢

DMA配置

最常使用第三种，CPU只暂停一次

DMA三种方式跟CPU传送数据

1️⃣ 块传送模式Block transfer mode (独占模式)

整个数据块按一个连续的顺序传输

如果DMA传输数据，CPU将被禁用一段时间，直到DMA释放总线

用于将程序或数据文件装入内存

2️⃣ 周期窃取模式§Cycle stealing mode

DMA仅在CPU不需要或强制CPU暂时暂停运行时才使用总线

DMA传输一个字的数据，然后释放总线

DMA交错指令和数据传输

3️⃣ 透明模式(交替模式alternate mode)

DMA和CPU采用分时复用的方式使用总线

需要的时间最多，但效率最高

适用于CPU处理时间比主存存取时间长的情况

题

定一秒的时间区级

例题

假设一台计算机的CPU时钟频率为500Mhz，其CPI为5(意味着平均执行一条指令需要5个时钟周期)。中断模式下，I/O设备的数据传输速率为0.5 MB/s，传输单元为32位。中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。请回答:

1）在中断模式下，CPU用于I/O传输的时间与总CPU运行时间的比值是多少?

2）假设设备的数据传输速率为5MB/s，采用DMA模式传输5000B块的数据，DMA预处理和后处理的总成本为500个时钟周期。CPU用于I/O传输的时间占总CPU运行时间的比例是多少?(假设DMA和CPU之间没有内存访问冲突)。

解决方案:

中断模式

在每个中断中，CPU用于I/O传输的时间= 5×18+5×2=100个时钟周期。

在一秒钟,I/O设备传输0.5MB的数据和，需要中断时间= 0.5 MB / 32 = 0.5 MB / 4 B = 0.125 M。

中断成本=0.125M×100=12.5M时钟周期

所需比例= 12.5M/500M=2.5%

DMA模式

在每个DMA中，CPU用于I/O传输的时间=500个时钟周期。

在一秒钟,I/O设备传输5MB的数据和，需要DMA处理时间=5MB/5000B=1K。

DMA处理成本=1K×500=0.5M时钟周期

所需比例= 0.5M /500M=0.1%

7.6 I/O通道

I/O通道是拥有自己的处理器来执行I/O程序的I/O模块

I/O 程序位于主内存中 ，事实上，I/O 通道代表了 DMA 概念的扩展。 因此，I/O 通道能够执行 I/O 指令并控制 I/O 操作

通道功能

接收来自CPU的命令

从内存中加载I/O程序，将命令发送给设备

缓冲、控制和传输数据，为传输提供路径

报告设备状态，发送中断

通道类型

通道容量/数据传输速率：每个通道单位时间传输的最大数据

选择通道

在任何时候，只选择一台设备来传输数据 ；适用于高速设备

多路通道

字节多路通道

轮转

适用于低速设备

每次传输一个字节给一个设备

最终的通道容量要加起来算

块多路通道

轮转

每次传输K个字节给一个设备

通道容量取决于最快的那个设备

7.7 外部接口

点对点和多点配置

串行和并行

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