【系统架构设计师】计算机组成与体系结构 ⑪ ( 数据传输控制方式 | 程序直接控制方式 | 中断控制方式 | 直接内存访问方式 )

一、数据传输控制方式

1、IO 设备数据传输

I / O 输入输出 设备 与 计算机系统 进行交互 , 由以下要素组成 :

• IO 设备
• IO 接口
• IO 控制软件

IO 设备 通过 IO 接口 接入到 计算机系统中 , 当 IO 设备 产生输入 , 输入的数据传输到内存中 , 然后 由 CPU 处理这些数据 , 再产生输出信息 , 再将 输出信息 对应的数据 输出到 IO 设备中 ;

• 如 : 键盘 / 鼠标 操作产生输入数据 , 传输 键盘 / 鼠标 事件到内存中 , 然后 CPU 处理这些事件 , 产生结果输出到 屏幕中 ;

整个过程中 , IO 设备 需要 进行数据传输 , 在传输过程中需要进行 传输控制 ;

2、数据传输控制方式

IO 设备 的 数据传输控制方式 , 指的是在 数据 从一处 传输 到另一处 的过程中 , 所采用的 控制机制 和 控制方法 ;

常见的 数据传输控制方式 如下 : 效率从高到低进行排列 ;

• 程序直接控制方式 , 重点考点
• 中断控制方式 : 鼠标键盘 ;
• DMA ( 直接内存访问 ) 控制方式 : 移动硬盘 ;
• 通道控制方式
• IO 处理机方式

二、程序直接控制方式 ( 重点考点 )

1、无条件传送 和 程序查询方式

程序直接控制方式 , 分为以下两种情况 :

• 无条件传送 : 这是 最简单的数据传送方式 , 适用于那些总是处于准备好状态的外设 , 外设无条件地 随时接收 CPU 发来的输出数据 , 也能够 无条件地 随时向 CPU 提供需要输入的数据 ;
  • 这种传输方式的前提是 外设始终处于准备好状态 , 在实际应用中受到很大的限制 ;
• 程序查询方式 : 又称为 轮询方式 , 在这种方式下 , CPU 需要不断查询外设的状态 , 判断外设是否准备好进行输入或输出操作 ;

2、程序查询方式

程序直接控制方式 中的 程序查询方式 , CPU 直接控制 内存 或 CPU 与 外围设备 之间的 数据传送 , CPU 会 不断地检测 设备控制器 的状态 , 确定 数据 是否 传输完毕 ,

• 如果传输完毕 , 则开始进行下一次的数据传输 ;
• 如果没有传输完毕 , 则继续等待 , CPU 继续进行重复检测 ;

3、程序直接控制方式 的 优缺点

程序直接控制方式 的 优缺点 :

• 优点 : 实现比较简单 , 成本低廉 ;
• 缺点 :
  • 效率低 : CPU 与 外围设备 串行工作 , 在同一时间只能与一台外设通信 , 无法与多态设备并行通信 , 工作效率低下 ;
  • 时效差 : 对于需要实时响应的外设 , CPU 需要等待大量时间 , 程序查询方式可能无法满足要求 ;

三、程序中断方式

1、程序中断方式 流程

程序中断方式 传输数据 , 当 外围设备 准备好数据 或 需要 CPU 处理时 , 向 CPU 发送中断信号 , CPU暂停当前任务 , 转而处理 中断服务程序 , 完成 数据传输 后再返回原任务 ;

数据传输 时 由于不需要 CPU 等待 , 提高了数据传输 的响应速度 ;

程序被中断后 , 断点位置的程序状态 , 会存放到 栈 中 , 这个过程称为 " 保护现场 " , 会增加额外的开销 ;

CPU 终止当前程序的执行 , 保护现场 后 , 需要 响应中断 , 查询 " 中断向量表 " , 通过对应的入口 , 找到中断程序 , 查询 是由什么原因导致的中断 , 然后处理对应的 IO 数据传输 ;

外设 IO 数据传输处理完毕后 , 需要 返回原来的 " 断点 " , 继续执行原来的程序 ;

程序中断方式 适用于 处理 情况紧急 必须 马上处理的特殊情况 ;

2、程序中断方式 优缺点

程序中断方式 优缺点 :

• 优点 : 支持 多个程序进程 和 外围设备 的 并行数据传输操作 , 提高了 CPU 的利用率 ;
• 缺点 :
  • 每次 数据传输 都需要 向 CPU 发送中断信号 , 如果 中断次数 较多 , 会占用大量 CPU 时间 ;
  • 外围设备 数量较大时 , 过多的 中断次数 导致 CPU 无法及时响应中断 , 出现 数据丢失 的情况 ;

四、DMA 方式

1、DMA 简介

DMA 全称为 " Direct Memory Access " , 直接内存访问 ;

DMA 由硬件执行 I/O 数据交换 , 核心在于 DMA 控制器 完全接管对总线的控制 , 数据交换直接在 内存 和 I/O 设备 之间进行 , 无需 CPU 参与 ;

2、DMA 无需 CPU 参与

DMA 直接内存访问控制方式 是 外设 与 内存 之间直接进行数据传输 , 无需 CPU 的干预 , DMA 可以实现 高速 批量 数据交换 , 数据传输 的基本单位是数据块 , 整个过程由 DMA 控制器控制 ;

DMA 方式中 , 不需要 CPU 参与 , CPU 的效率 比

• 程序中断方式
• 程序直接控制方式

都要高 ;

3、DMA 工作流程

DMA 工作流程 :

• 首先 , DMA 控制器 向 总线裁决 逻辑 , 提出 总线请求 ;
• 然后 , 等待 CPU 完成 当前的 总线周期 , 释放 总线控制权 ;
• 最后 , 响应 DMA , 通过 DMA 控制器 通知 IO 设备开始进行 数据传输 ;

五、数据传输控制方式示例

嵌入式系统 中 采用 中断方式 实现 输入输出 , 主要原因是 可以 对 突发事件 进行快速响应 ;

程序被中断后 , 程序的 断点数据 保存在 栈 内存 中 ;

中断方式 不是速度最快的方式 , 下面的顺序是从慢到快 , IO 处理机方式速度最快 ;

• 程序直接控制方式 , 重点考点
• 中断控制方式 : 鼠标键盘 ;
• DMA ( 直接内存访问 ) 控制方式 : 移动硬盘 ;
• 通道控制方式
• IO 处理机方式

除 程序直接控制方式 外 , CPU 均不参与 数据传输操作 ;

实现起来 最容易的是 程序直接控制方式 ;