【導(dǎo)讀】I/O.1.Memory-MappedI/O. 2.DirectI/O

　　

【正文】 寄存器有它的優(yōu)點，但 存儲器映射輸入／輸出可能會使控制器的設(shè)計較復(fù)雜一些，這涉及與輸 入／輸出相關(guān)的指令的實現(xiàn)。這是因為通常輸入／輸出總線周期比較等 價的存儲器總線周期要長一些，需要循環(huán)，而這意味著需要設(shè)計不同的 時序控制邏輯。這能用來解釋為什么存儲器映射輸入／輸出有利于程序 設(shè)計師 , 但是不是電子學(xué)工程師。 ● 直接輸入／輸出尋址有另一個高于存儲器映射輸入／輸出的優(yōu)點，即低 級程序調(diào)試在用分開尋址系統(tǒng)中可能要更容易些 , 因為斷點和錯誤 陷阱 的設(shè)置比較通用。 ● 在存儲器映射輸入／輸出中，輸入／輸出寄存器和主存儲器共享同一地 址空間， 因此，程序和數(shù)據(jù)可以使用的存儲空間就減少了。對于直接 輸入／輸出尋址，輸入／輸出不用和主存儲器共享存儲空間，可以維持 一個單獨的連續(xù)存儲空間給程序員使用。 程控輸入／輸出 程控輸入／輸出需要全部數(shù)據(jù)操作處于處理機執(zhí)行程序的完全控制之下。因為程序重復(fù)地巡查 (檢查 ) 一個輸入／輸出裝置的狀態(tài)標(biāo)志，所以有時它被稱為巡查，而且它的輸入 / 輸出操作 能與處理器同步。程序不斷地巡查一個輸入／輸出裝置的狀態(tài)，以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)是否是已在輸入緩沖中或輸出裝置有沒有為接收從來自處理器的數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。 如果狀態(tài)顯示 已備好 ，則程序?qū)?zhí)行一條數(shù)據(jù)傳輸指令以完成該輸入／輸出操作；否則，輸入／輸出裝置的忙碌狀態(tài)將會強迫程序在一個忙碌等待回路中循環(huán)，直到狀態(tài)變成“已備好”為止。這樣一個如此不斷地巡查“數(shù)據(jù)已備好“狀態(tài) (對于輸入 ) 或巡查“設(shè)備已備好“狀態(tài) (對于輸出 )，它形成程控輸入／輸出的典型程序結(jié)構(gòu)。正是這個浪費時間的忙碌等待回路消耗處理機時間，而造成程控輸入／ 輸出效率很低。處理器必須連續(xù)的介入整個的輸入／輸出過程當(dāng)中。在這一時間間隔內(nèi)，處理器不能夠運行任何的有用計算 , 而僅服務(wù)于單獨一個輸入／輸出裝置。對于某些慢速輸入／輸出裝置 , 這一忙碌等待回路的時間可能很長，足夠處理機在輸入／輸出事件發(fā)生之前 ， 運行數(shù)以百萬計指令 ,如在鍵盤上的一次按鍵動作。 上面敘述的程控輸入／輸出操作模式是以程序的忙碌等待回路為特征的 , 在它運行時處理器花費時間巡查一個輸入／輸出裝置。因為處理器專注于一個單一的作業(yè)，這種程控輸入／輸出模式被稱為專注式巡查或回旋式巡查。雖然專注式巡查十分低 效 , 但是有時它是必需的，甚至是不可避免的。在一個特別的情形中，如果一件緊急的事件需要沒有延遲立即響應(yīng) ,則用一臺專門的計算機做專注式巡查可能是最好的處理方法。一旦預(yù)期的事件發(fā)生 , 處理器可以立刻反應(yīng)。舉例來說 , 某些實時系統(tǒng) (如雷達回波處理系統(tǒng) ) 需要對收入的數(shù)據(jù)極快的反應(yīng)，甚至是一次中斷反應(yīng)都嫌太慢。在這樣的環(huán)境之下，只有專注式巡查回路才足夠應(yīng)付。 程控輸入／輸出的另一個操作模式叫做間歇式巡查或定時巡查。在這一個模式中，處理器可在有規(guī)則的（預(yù)期的或事先規(guī)劃的）時間間隔巡查設(shè)備。這種設(shè)備在許多嵌入式系統(tǒng)中 可以看到，其中一臺專用計算機用于過程控制、數(shù)據(jù)采集、環(huán)境監(jiān)測、流量計數(shù)等。這些設(shè)備量測、收集或記錄數(shù)據(jù) ,通常是按照有規(guī)則的時間表進行周期性的巡查，其規(guī)劃由應(yīng)用對象的需要決定。這種間歇式巡查方法可以有助于節(jié)省回旋式巡查所浪費的時間，并且避免中斷處理的復(fù)雜性。然而應(yīng)該注意，間歇式巡查可能不適用某些特別的情形 , 只有一個裝置被巡查而正確的 巡查又一定要借助一個由中斷驅(qū)動的時鐘才能得到。在這種情況使用定時巡查只能是簡單的交替一次又一次中斷需求。 中斷驅(qū)動輸入／輸出 中斷驅(qū)動輸入 /輸出是一種能避免程控輸入 / 輸出特有的低效忙碌等待回路的方法。當(dāng)輸入 / 輸出設(shè)備 忙于它的輸入輸出作業(yè)時，處理機不是等待，而是可以運行其他的程序。 當(dāng)輸入 /輸出設(shè)備完成它的作業(yè)而使其狀態(tài)變?yōu)椤耙褌浜谩? 時，它將向處理機發(fā)出一個中斷請求，要求 CPU 的服務(wù)。作為響應(yīng)，處理機掛起它正在做的任何工作， 以便 照顧該輸入 / 輸出設(shè)備的需要。 為了響應(yīng)中斷請求 , 處理器將會首先為正在運行中的程序保存好程序計數(shù)器和狀態(tài)計數(shù)器的內(nèi)容，然后轉(zhuǎn)移控制到對應(yīng)的中斷服務(wù)程序，以執(zhí)行要求的輸入 /輸出操作。當(dāng)中斷服務(wù)程序已經(jīng)執(zhí)行完畢時，如果沒有更多的中斷請求在 等待 ,處理器將恢復(fù)狀態(tài)寄存器和程序計數(shù)器的內(nèi)容，恢復(fù)執(zhí)行原先被中斷的程序。處理器的硬件應(yīng)該在每條指令執(zhí)行結(jié)束時 檢查中斷請求信號。如果有多個裝置同時發(fā)行它們的中斷請求 ,處理器必須利用某些方法選擇哪一個首先服務(wù) , 然后再根據(jù)優(yōu)先權(quán)的次序逐個的服務(wù)所有其他的中斷請求。只有當(dāng)所有的中斷請求都已得到服務(wù)， CPU 才返回被中斷的用戶程序。這樣，處理器能并發(fā)的服務(wù)于多個輸入／輸出裝置，而且用較多的時間做有用的工作 , 而不去運行一個忙碌等待回路為單 個裝置服務(wù)。因此 ,中斷驅(qū)動輸入 / 輸出在處理慢速和中速輸入 / 輸出 /設(shè)備方面是很有效的。此外，中斷的觀念可以被推廣到處理任何由硬件或軟件從內(nèi)部或外部產(chǎn)生的事件。這一普遍性問題稱為異常事件處理。 如果多個中斷請求有不同的設(shè)備同時發(fā)出 ,處理器應(yīng)該有某種方法識別中斷來源而且按照某種策略（典型的是按優(yōu)先權(quán)）處理它們的中斷請求?，F(xiàn)時只能有一個帶最高優(yōu)先權(quán)的請求可以得到服務(wù) , 所有其它的請求都放入一個候補等待的隊伍之內(nèi)。在中斷服務(wù)程序執(zhí)行服務(wù)完畢，處理器應(yīng)該搜索等待的隊列，找出所有正在等待中的舊的或新的中斷請求 , 并按照優(yōu)先權(quán)逐個繼續(xù)為它們服務(wù)，直到等待的隊伍變空為止。 只有當(dāng)所有 等待著的中斷請求都已經(jīng)得到服務(wù)，才會喚回被中斷的用戶程序。 雖然這一個情形包含了多個中斷請求 , 但是它仍然是一個被單一化的情形。假定：所有的中斷服務(wù)程序一旦被處理器一個接一個的啟動，它們便必須完成而不再由中斷或所謂搶占發(fā)生。滿足這一假設(shè)的中斷過程稱為非搶占中斷。 在真實的環(huán)境中，中斷驅(qū)動輸入／輸出的過程比這個簡化過程更為復(fù)雜。每個正在處理機中運行的中斷服務(wù)程序可以被新來的中斷請求所搶占（中斷），只需它的優(yōu)先權(quán)比現(xiàn)有的優(yōu)先權(quán)高。這一個環(huán)境將會引起主程序和所 有被要求的中斷服務(wù)程序之間有一個復(fù)雜的相互關(guān)系。允 許中斷服務(wù)程序被較高優(yōu)先權(quán)的中斷服務(wù)程序所強占的中斷過程叫做搶占中斷。 直接存儲器訪問 雖然中斷驅(qū)動輸入／輸出比被程控輸入／輸出有效率 , 但是它仍然受限于較高的與中斷處理有關(guān)的開銷。這一開銷包括解決多個中斷請求之中的沖突、保存和恢復(fù)程序現(xiàn)場、用于中斷辨認(rèn)的巡查、中斷服務(wù)程序的來回轉(zhuǎn)移等。使用中斷是一個浪費的活動，它費時好幾個微秒才能完成。 直接存儲器訪問 (DMA) 是一個向 / 從主存儲器直接輸入輸出字塊的方法，速度是每一存儲周期一個數(shù)據(jù)項，而無需處理機的連續(xù)參與。整個過程由 DMA控制器的硬件實現(xiàn) , 它代替處理器而直接與主存儲器通信。結(jié)果，計算機系統(tǒng)的框圖由以處理機為中心變?yōu)橐源鎯ζ鳛橹行?。因此，從輸入／輸出處理的觀點來看，處理器不再是計算機的中心 , 而只是一個伙伴，輸入／輸出子系統(tǒng)和它競爭存儲器總線周期，向 / 從主存儲器輸入輸出數(shù)據(jù)。然而， DMA控制器是設(shè)計成 以字塊交換數(shù)據(jù)，因此，它能很好的和大容量高速度面向字塊的輸入／輸出裝置 , 例如高速磁盤通信網(wǎng)絡(luò) ， 一起工作。 . DMA控制器能在兩個不同的模式下工作。正常情況下，它與處理器并發(fā)的工作 , 競爭零星的存儲器總線周期，以輸入輸出一個字塊的連續(xù)的字。如 果輸入／輸出速度不是很高 ,處理器的存儲器訪問和 DMA 控制器訪問可以交叉進行。時間可以在周期到周期的基礎(chǔ)上增加。在任何一個時間段，處理器或 DMA控制器都不能連續(xù)的使用所有的存儲器總線周期。 DMA控制器的這一操作模式叫做周期竊取。如此命名是因為輸入／輸出子系統(tǒng)實質(zhì)上是從處理器“竊取”存儲器總線周期。這一個模式把直接內(nèi)存存取的存儲器訪問整合在 CPU活動中，避免嚴(yán)重的打擾主要的處理任務(wù)。另一方面，對于更高的輸入／輸出傳輸率，直接內(nèi)存存取操作需要總線時間能安排在成塊的周期內(nèi)，這稱為爆發(fā)。在存儲周期的爆發(fā)中，處理器 完全地被排斥在存儲器訪問之外。直接內(nèi)存存取控制器被給與主存儲器的排他性訪問，連續(xù)的輸入輸出數(shù)據(jù)字塊，其速度可以和存儲器速度相比較。直接內(nèi)存存取控制器的這一操作模式被稱為字塊模式或爆發(fā)模式。為這一操作模式設(shè)計的直接內(nèi)存存取控制器通常結(jié)合一個數(shù)據(jù)存儲緩沖器，其容量至少與一個 字塊相匹配。當(dāng) DMA控制器利用存儲器總線時，它可以直接在它的數(shù)據(jù)存儲緩沖器和主存儲器之間交換一個字塊。 下列各寄存器對于 DMA 傳輸一個字塊是必要的： ● 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 (DBR) —— 它可以實現(xiàn)為兩個寄存器 , 一個用于輸 入 ， 另一個用于輸出 , 或者甚至于一個寄存器組，組成一個數(shù)據(jù)存儲 緩沖 器。 ● DMA 地址寄存器 (DAR) —— 用來存放存儲器緩沖區(qū)（用來讀寫字 塊）的起始地址。 ● 字計數(shù)器 (WC) —— 由它的內(nèi)容指定字塊中余下尚待傳輸?shù)淖謹(jǐn)?shù)，每 一個字傳輸以后字?jǐn)?shù)自動減值。 ● 控制 / 狀態(tài)寄存器 (CSR)—— 處理器用來發(fā)送控制信息給直接內(nèi)存存取控制器并且收集直接內(nèi)存存取控制器和它所連輸入／輸出裝置的狀態(tài)和出錯信號。 利用這些寄存器 ,直接內(nèi)存存取控制器能知道源字塊和目的字塊 , 以及將要傳輸 的數(shù)據(jù)量。一旦直接內(nèi)存存取控制器獲得了存儲器總線，便可以利用這些寄存器中包含的信息，自主地執(zhí)行字塊傳輸操作，而無需處理器的連續(xù)介入。 在 上列寄存器之外，直接內(nèi)存存取控制器還應(yīng)該包含總線請求設(shè)備的控制邏 輯 , 它利用直接內(nèi)存存取請求 (DMAR) 和直接內(nèi)存存取回答 (DMAA)信號執(zhí)行總線仲裁。總線仲裁是一個分解沖突的過程，用來解決多個并發(fā)請求之間產(chǎn)生的沖突，這些請求都想要操作直接內(nèi)存存取控制器以獲取存儲器總線?？偩€主方的確定通常是基于不同的 DMA 裝置具有的優(yōu)先權(quán)。在不同的直接內(nèi)存存取裝置之中，由 裝置接收直接內(nèi)存存取服務(wù)的緊迫程度，也就是它們的速度需求，來安排優(yōu)先權(quán)次序。為直接內(nèi)存存取裝置進行總線仲裁有兩個方法 —— 集中式和分布式，它們和利用中斷請求 (INTR) 和中斷應(yīng)答 (INTA)信號以辨認(rèn)中斷源的方法是相似的。 雖然直接內(nèi)存存取執(zhí)行字塊傳輸沒有處理機參加 , 但是直接內(nèi)存存取控制器的總體操作仍然是由 CPU 通過中斷來決定的。它有兩個目的： (1)在直接內(nèi)存存取控制器啟動數(shù)據(jù)傳輸之前，所有的寄存器必須由處理器設(shè)定初值 ； (2) 當(dāng)直接內(nèi)存存取完成一個字塊傳輸操作時 ,它應(yīng)該發(fā)出一個中斷告知處理器操作完成，以允許處理器在存儲器緩沖區(qū)進行數(shù)據(jù)的后處理或者處理可能的錯誤情況。 因此， 直接內(nèi)存存取控制器時常發(fā)出中斷請求 (INTR) 和接受中斷的回答 (INTA) 信號。 DMA 減輕處理器在輸入／輸出功能上的負(fù)擔(dān) ,但叁數(shù)傳輸初始化和數(shù)據(jù)的后處理除外。當(dāng)服務(wù)高速的輸入／輸出裝置的時候，這是非常有效的。然而，直接內(nèi)存存取的作用并不限于輸入輸出區(qū)域。在現(xiàn)代的計算機系統(tǒng)中，直接內(nèi)存存取已經(jīng)發(fā)展為一個通用的技術(shù)，它在輸入／輸出子系統(tǒng)處理和 CPU 處理之間進行主存儲器帶寬的分時。在輸入／輸出子系統(tǒng)中，高速的輸入／輸出裝置 ，像磁盤， CDROM， DVD，圖像，視頻設(shè)備和高速網(wǎng)絡(luò)都要經(jīng)過直接內(nèi)存存取分享主主存儲器的帶寬。在中央處理和主存儲器范圍，運行中的程序、操作系統(tǒng)以及動態(tài)隨機存取儲存器的再生都要分享主存儲器帶寬。直接內(nèi)存存取是一個適當(dāng)?shù)姆椒▉韺崿F(xiàn)這種分時。比較快速的 16位 Ultra DMA 現(xiàn)在已經(jīng)代替舊式的 8位設(shè)備?，F(xiàn)在可用的商售直接內(nèi)存存取控制器芯片及已經(jīng)提供多個通道 ,允許并發(fā)的數(shù)據(jù)傳輸。例如，一個通道可以保留給動態(tài)隨機存取儲存器再生，另外的一個通道能執(zhí)行存儲器到存儲器的字塊移動等。為了進一步讓處理機免于處理慢速作業(yè)， 已經(jīng)開發(fā)了強功能的通道處理機，它有自主的能力，包括設(shè)備巡查、通道程序執(zhí)行、中斷激活以及數(shù)據(jù)和指令的直接內(nèi)存存取。它們已經(jīng)作為成長中的一類半獨立的分處理器與主處理器通信。它們被指定專門的工作，例如浮點運算、圖像處理、網(wǎng)絡(luò)通信、大規(guī)模數(shù)據(jù)庫管理等。由于主存儲器帶寬分時而日益增大的總線競爭問題可以通過更有效的利用高速緩存予以淡化。例如，在 Pentium 處 理器中，只要緩存本地保存的指令能滿足要求， L1 緩存便允許 CPU 流水線繼續(xù)讀取和執(zhí)行指令。