CPU与I/O设备的数据传送方式

1. 基本概念

1. I/O接口

计算机工作过程中，CPU要不断地和I/O设备进行信息交换。CPU和主存可以直接进行信息交换；而CPU与I/O设备不可以直接进行信息交换，需要一个中间电路进行传送，这一电路称为I/O接口电路。

示意图：

2. 三种数据传送方式

重点介绍中断方式

2.1 程序查询方式

1. 含义

完全通过程序控制主机和外设的信息传送，分为无条件传送和条件传送两种方式。

2. 无条件传送和条件传送

无条件传送：

前提条件：外部控制过程各种动作时间是固定的，而且是已知的，CPU不用查询外设状态可以直接执行输入输出指令。

特点：

适用于外设动作时间已知，在CPU与外设进行数据传送时，外设保证已准备好的情况；
软硬件十分简单。

条件传送：

在执行输入或输出前，要先查询相应设备的状态，当输入设备处于准备好状态，输出设备处于空闲状态时，CPU才执行输入/输出指令与外设交换信息。为此，接口电路中既要有数据端口，还要有状态端口。

特点：

【优点】
控制简单，无需额外的硬件支出；
【缺点】
CPU和外设之间只能串行工作，而CPU的速度比外设的速度快很多，CPU将花费大量时间都处于等待、空闲状态，使系统效率大大降低。

2.2 程序中断方式

1. 含义

当外设需要与CPU进行信息交换时，由外设向CPU发出请求信号，CPU暂停正在执行的程序，转去执行数据的输入/输出操作，数据传送结束后，CPU再继续执行被暂停的程序。

示意图：

2. 基本概念

（1）中断源：

引起中断的事件，即发出中断请求的来源。

中断源的种类
①外中断：来自处理机外部设备的中断，如定时器等。
②内中断：处理器硬件故障或程序出错引起的中断，如算术操作溢出、除数为0、校验错等。
③软中断：程序中预先安排的中断，如调试程序设置的断点。

（2）中断优先权

多个中断同时发生时，对各个中断响应的优先次序称为中断优先权。

（3）中断屏蔽

当产生中断请求后，用程序方式有选择地封锁部分中断，而允许其余中断仍然得到响应，称为中断屏蔽。
每个中断源设置一个中断屏蔽触发器来屏蔽该设备的中断请求。将该位置1，屏蔽该中断源的请求；为0则响应。

（4）中断屏蔽字

通过中断屏蔽字可以重新设定中断优先级。

【举例】

设机器有5级中断，L0~L4，其中断的响应优先级为L0最高，L4最低，从左到右依次降低，现要求将中断处理次序改为L1>L3>L0>L4>L2,则可将各中断源屏蔽字设置成

（5）中断处理过程

中断请求、中断响应、保护现场、执行中断服务子程序、恢复现场、中断返回。

（6）中断响应条件

①外设提出中断申请；
②本中断位未被屏蔽；
③本中断优先级最高；
④ CPU允许中断。

3. 多重中断处理过程

原则：当到来的中断优先级高于正在处理的中断时，优先处理新到来的优先级更高的中断。
【举例】

2.3 DMA控制方式

含义：

DMA是指外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据的接口技术。这样数据的传送速度就取决于存储器和外设的工作速度。
通常系统总线是由CPU管理的，在DMA方式时，就希望CPU把这些总线让出来，即CPU连到这些总线上的线处于第三态(高阻状态)，而由DMA控制器接管，控制传送的字节数，判断DMA是否结束，以及发出DMA结束信号。

dma彻底解放了cpu与I/O通信的额外负担。
dma方式下cpu让出了总线（地址总线，数据总线，控制总线），暂时由dma控制器来接管总线，控制器就能直接完成i/o设备与主存的数据交换。
如果恰好cpu此时需要访问主存，那它不得不暂停一个存储周期（不是指令周期），如果只需要访问寄存器或者cache，那cpu就不会有任何停顿。

三种方式CPU效率比较

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