操作系统--输入输出--控制方式

输入输出控制方式

一、程序控制方式

1、程序查询

 要求CPU不断使用指令检测方法来获取外设工作状态，造成CPU的运行效率极低。

2、程序中断

 1、某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出中断请求信号，请求CPU暂时中断目前正在执行的程序转而进行数据交换；

 2、当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，自动转去执行该设备的中断服务程序；

 3、当中断服务程序执行完毕（数据交换结束）后，CPU又回到原来的主程序继续执行。

 4、而当低速的外围设备准备自己的数据时，CPU则照常执行自己的主程序。

 所以:从这个意义上说，CPU和外设的一些操作是异步并行进行的，因而与串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率的确是大大提高了。

 注意：

 1、CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时，才会受理外围设备的中断请求。

 2、保存现场与恢复现场， 从堆栈中恢复PC内容和CPU状态，以便从断点处继续执行主程序。

 3、中断过程类似于子程序调用

多级中断

 

二、硬件控制方式

1、DMA方式

    DMA方式是一种由硬件执行I/O交换的工作方式。

    DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在主存和I/O设备之间进行。

    优点：

         速度快， CPU不参加传送操作，省去了CPU取指令、取数、送数等操作，也没有保存现场、恢复现场之类的工作。

    缺点：

         批量数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，仍由CPU通过执行管理程序来承担，DMA控制器只负责具体的数据传送工作。

        CPU仍然摆脱不了管理和控制外设的沉重负担，难以充分发挥高速运算的能力。

工作过程：

     1、当要求通过DMA方式传输数据时，DMA控制器向CPU发出请求，CPU释放总线控制权，交由DMA控制器管理；

     2、DMA控制器向外设返回一个应答信号，外设与主存开始进行数据交换；

     3、当数据传输完毕后，DMA控制器把总线控制权交还给CPU。在这种方式下，DMA控制器与CPU分时使用总线

一次DMA数据块传送过程可分为三个阶段：传送前预处理、正式传送、传送后处理

1）预处理阶段

    A、CPU执行几条输入输出指令，测试设备状态，

    B、向DMA控制器的设备地址寄存器写入设备号并启动设备，

    C、向主存地址计数器中写入起始地址，

    D、向字计数器中写入交换数据字个数。

    在这些工作完成后，CPU继续执行原来的主程序。

当外设准备好发送数据（输入）或接收数据（输出）时，它发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出总线使用权请求HOLD。

2）正式传送阶段

    A、当外围设备发出DMA请求时，CPU在本机器周期执行结束后响应该请求，

    B、并使CPU的总线驱动器处于第三态（高阻状态）。

    C、CPU与系统总线相脱离，而DMA控制器则接管数据总线与地址总线的控制，并向主存提供地址，

    D、于是在主存与外围设备之间进行数据交换。每交换一个字，地址计数器和字计数器加“1”，

    E、当字计数器溢出时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU发出中断报告。

DMA数据传送是以数据块为基本单位进行的，因此，每次DMA控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的。当进行输入操作时，外围设备的数据（一次一个字或一个字节）传向主存；当进行输出操作时，主存的数据传向外围设备。

3）后处理阶段

    A、一旦DMA的中断请求得到响应，CPU停止主程序的执行，转去执行中断服务程序，完成DMA结束处理工作，

    这些工作包括：校验送入主存的数据是否正确，决定继续DMA传送还是结束，测试传送过程中是否发生错误等等。

基本DMA控制器与系统的连接方式有两种，一种是公用的DMA请求方式，另一种是独立的DMA请求方式。

2、通道方式

    通道是一个特殊功能的处理器，代替CPU管理控制外设的独立部件。有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU在将“传输控制”功能下放给通道后，只负责“数据处理”功能。通道与CPU分时使用主存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。

    基本功能是执行通道指令，组织外围设备和主存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等。

工作过程：

    11、在进行一次通道操作之前，CPU要完成准备通道程序、安排数据缓冲区、给通道和外设发起命令等工作。

    12、在通道接到启动命令后，便到指定点取通道地址，指定点是系统设计好的，由通道硬件实现。

    13、通道根据指定点提供的主存地址，从主存中取出CPU为它准备的通道程序。 

    21、在执行第一条通道程序之前，通道首先要选择外设，启动外设的设备号，看其是否有响应，

    22、总线上的外设都有自己的地址译码器，用于判断总线上的呼叫地址是否是本设备地址；

    23、选择设备后，通道向外设接口发出命令，外设接口接到命令后返回状态码，

    24、通道便以条件码形式回答CPU，表示这次启动成功；

    于是CPU便可以转去执行其他程序，而通道程序则由通道独立完成；当通道与外设之间的信息交换完成后，通道向CPU发出中断信号，CPU根据通道状态字分析这次通道操作的执行情况。

3、PPU外围处理机方式