计算机考研408-I/O方式大题答题流程

I/O方式大题

一 程序查询流程

1. 程序运行scanf代码，此时发生系统调用，操作系统等待来自键盘的字符

2. 程序查询方式不断轮询查看是否有字符输入（注意：不会一直占用处理机导致系统死机，参考并发概念，仅在分配的时间片内轮询）

3. 通过键盘设备经过usb向I/O接口输入字符，（此处出现数据的输入输出速率），输入的字符会被放入缓冲区（题目会告知缓冲区大小）

4. cpu应当取走缓冲区内的数据去进行处理

​ cpu不应当取的太慢，这是由于缓冲区的大小是有限的，如果太慢会导致还没取出的数据被新传输的数据所覆盖。

​ 但也不该太快，所以最好是缓冲区刚满，cpu就取出缓冲区内的数据

综上可知，cpu轮询的频率（cpu定时查询的频率） = 输入输出数据的速率/缓冲区大小

5. 若题目给出输入输出至少执行x条指令，那么便可以得到

   传输满一次缓冲区所需要的时间 = 缓冲区大小/输入输出数据的速率 = cpu轮询频率的倒数

   每秒查询次数 = 1s/传输满一次缓冲区所需要的时间

   设备输入输出的时间占cpu总时间的百分比 =（CPI * x * 每秒查询次数）/ 计算机主频

注意：输入输出速率是设备和缓冲区之间的，而轮询频率是cpu和缓冲区之间的。

二 中断I/O流程

1. 设备向I/O接口输入数据（此处题目一般会给出数据输入输出速率）

2. 同样当数据充满缓冲区时，此时中断源向cpu发出中断请求告知cpu缓冲区已经满了，需要它来处理

​ 1）中断请求：中断源向CPU发送中断请求信号。

​ 2）中断判优：多个中断源同时提出请求时，通过中断判优逻辑响应一个中断源。

​ 3）中断响应及中断隐指令。

​ 4）中断服务程序寻址

​ 5）执行中断服务程序

3. cpu取走了缓冲区内的数据（此时的缓冲区就可以接受新的数据，而不必担心有数据未被取走而被覆盖的情况了）

数据输入输出速率/缓冲区大小 = 每时间内应当发生中断的频率

题目若给出每次数据中断的开销（时间），就可以计算每时间内中断的开销

总开销 = 每次中断开销 * 每时间内应当发生中断的频率

三 DMA方式

一个DMA控制器，实际上是采用DMA方式的外围设备与系统总线之间的接口电路，这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成。

习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。

DMA控制器的组成

1. 主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址
2. 传送长度计数器：记录传送数据的长度，计数溢出时。数据即传送完毕，自动发出中断请求信号
3. 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据
4. DMA请求触发器：每当I/O设备准备好数据后，给出一个控制信号，使DMA请求触发器置位。
5. ”控制/状态“逻辑：有控制和时序电路及状态标志组成，用于指定传送方向，修改传送参数，并对DMA请求信号、cpu响应信号进行协调和同步
6. 中断机构：当一个数据块传送完毕后触发中断机构，向cpu提出中断请求。

流程

1. 预处理阶段

• CPU会向DMAC指明要读/写的数据应该存放在主存当中的什么位置，应该存放在I/O设备的什么位置，指明传送数据的个数，然后启动I/O设备
  • 主存起始地址 -> AR
  • I/O设备地址 -> DAR
  • 传送数据个数 -> WC

2. 数据传输阶段（数据传送阶段完全由DMA硬件控制）

​ 1）DMA设备（块设备）经过usb线向DMA控制器中的数据缓冲寄存器按字或者字节传输数据，也可以以数据块为基本单位。

​ 2）从数据缓冲寄存器由直接通路传输到主存当中

3. 后处理阶段

​ 1）中断服务程序

​ 2）DMA结束处理

​ 一整块数据传输完成时，DMA控制器中的传送长度计数器会向cpu发出中断请求信号，cpu执行中断服务程序做DMA结束处理，包括校验送入主存的数据是否正确、测试传送过程是否正确、是否决定继续使用DMA传送数据等等。

4. 继续执行主程序

注：主存和DMA控制器之间有一条数据通路，因此主存和I/O设备交换信息时，不需要通过cpu，但是当cpu和DMA同时访问主存时是可能发生冲突的。

因此，在DMA传送过程中。DMA控制器将接管cpu的地址总线、数据总线和控制总线，cpu的主存控制信号被禁止使用。而当DMA传送结束后，将恢复cpu的一切权力并开始执行其操作。（概括：DMA控制器必须具有控制系统总线的能力）

数据传送前由DMA控制器请求总线使用权。

如何解题

计算题

每传送完一个数据块发生中断

① 数据输入输出的速率/块的大小=DMA发生中断的频率（次数）

② 每次DMA传送一个数据块的开销 = 这一块的预处理时钟周期数 + 这一块的后处理时钟周期数

总开销 = ① * ②（个时钟周期）

I/O时间占整个cpu时间的百分比 = DMA总开销/时钟周期频率

选择题

2019年

1. DMA传送前由设备驱动程序设置传送参数
2. 数据传送前由DMA控制器请求总线使用权
3. 数据传送由DMA控制器直接控制总线完成
4. DMA传送结束后的处理由中断服务程序完成

区分DMA方式和中断

DMA 方式中的中断请求，只是为了报告 CPU一组数据传送结束， 有待 CPU做一些其他处理工作。程序中断方式的中断请求是为了传送数据， I/O 和主机交换信息完全靠 CPU响应中断后，转至中断服务程序完成的。

1. 中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理。

2. DMA方式则是以数据块为单位传输的,在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理,大大减少了CPU进行中断处理的次数。

3. 中断方式的数据传送是由设备到CPU再到内存，或者相反。

4. DMA方式的数据传送则是将所传输的数据由设备直接送入内存，或是由内存直接送到设备。