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2.3 缓冲、中断和DMA技术 http://book.51cto.com 2010-03-12 11:02 陆松年 电子工业出版社
1.2.3 缓冲、中断和DMA技术
1．缓冲技术 脱机、批处理还没有完全解决CPU与外部设备速度的匹配问题，无论是从读卡机还是从磁带中读入，相对于CPU来说，读入数据的速度总嫌慢。进一步的解决方法是采用缓冲技术。缓冲技术的原理是将数据存放到一个特定的缓冲区中，当CPU从缓冲区中取得了数据，在对它进行运算之前，再启动输入设备以输入下一个数据至缓冲区。这样在CPU进行运算时，外部设备的输入工作也在同时进行。同样，输出也可采用缓冲技术。采用了带缓冲的输入／输出技术后，CPU与外部设备就能做到并行操作，减少了互相等待的时间，极大地提高了CPU与各种外部设备的使用效率。 2．中断技术 具有缓冲的输入输出也带来了新的问题。一个问题是处理机要知道I/O设备什么时候已完成了输入操作，以便处理输入数据并启动下一个I/O。如果要靠CPU反复地查询输入设备的状态，就会浪费很多CPU的时间。中断技术的出现解决了这个难题。只要I/O设备一旦完成了输入／输出操作，它会自动地向CPU发出中断信号。CPU收到中断信号后，就暂停当前的处理工作，在做了一些必要的现场保护、中断处理工作后，转入中断服务程序。中断服务程序读出缓冲区数据，然后启动下一个I/O操作。从中断服务程序返回后，操作系统恢复被中断的运算过程。 中断处理机构需要在系统栈上保存中断返回地址，还要保护中断时的其他现场，如累加器和其他寄存器的值。在完成了中断服务之后，中断程序要恢复原先的中断现场，取得断口地址以使计算机继续原先的处理工作。CPU在处理一个中断事务时，如果又收到另一个优先级更高的中断请求，就会暂停当前的中断服务，转而去处理更为紧迫的操作，这样就形成了中断的嵌套。 3．DMA技术 对于慢速的I/O设备（如键盘、串行口等），CPU在执行有关的中断服务程序后，还可利用剩下的大部分时间来执行其他的计算工作。但对于像磁带、磁盘或高速网络通信接口，CPU响应中断和处理数据所费的时间可以比数据到达的时间间隔更长。这样，即使处理机的时间全部用于处理中断和接收输入数据，也仍然会发生数据丢失的情况。 为了解决这个难题，产生了直接存储器存取（DMA）技术。一旦收到了DMA发来的中断请求后，CPU在设置了缓冲区、指针和计数器后，DMA就可以不需要CPU干预，在内存和设备之间传送整块数据。这样，通过DMA每传送一个数据块仅需要一次中断处理，而不是像低速设备那样每传送一个数据都需要一次中断处理。 |
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