第6.5章：IO控制方式¹

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^本章结构

^IO控制器

^{四种IO控制方式}

^程序查询

^程序中断

^DMA控制

^通道控制

^{Part1：IO控制器}

^{1、IO控制器模型}

^{2、IO控制器中寄存器的编制}

^{假设IO 寄存器中有n个地址，而主存（MM）中有N个地址}

^{统一编制：无需专门的IO指令，但是需要占用内存空间}

^{独立编制：不占用内存空间，但是需要专门的IO指令}

^{Part2：四种IO控制方式²}

^{1、程序查询（直接控制）}

^{CPU不断轮询检查State Register，检测到输入完成之后，从Data State中取走数据，每次取走一个字。程序和IO设备串行执行}

^{2、程序中断}

^{Data Register中数据输入完成之后，IO Controller 向CPU出发中断请求，CPU响应并且取走数据（每次一个字）程序和IO设备并行执行}

^{3、DMA控制（Direct Memory Access）}

^{在程序中断方式中，如果设备的IO速度非常快，那么其效率和程序查询方式无异。故我们对于高速IO设备，直接在设别和主存（MM）之间开辟一条通路，其传输数据不通过CPU，以降低CPU开销。}

^{由于和传统的IO不同，我们需要重新设计IO Controller，称呼为DMA Controller，每次传输以块为单位的数据³}

3.1 DMA Controller Model

对于部件的说明
- Control/State 逻辑：用于指定传输方向等参数
- DMA Request Trigger：当设备（device）准备好数据之后，修改该触发器的值（1bit）说明其准备好传送数据
- Address Register：用于存放交换数据的主存地址
- Word Count Register：记录已经发送的数据长度，当其溢出时，数据传送完毕
- 中断机构：当数据传送完毕时发出中断信号
- Data Cache Register：用于暂存数据
单总线结构DMA传送过程
- 传送前
  - 接受Device的DMA传送请求，并且向CPU发出HRQ（Hold Request）请求，要求占用总线
  - CPU响应HLDA（Hold Acknowledge）
- 传送时
  - 确定传送地址和长度
  - 确定传送方向并且传送
- 传送后：向CPU报告结果（一个中断信号）
对于总线的说明

上图为单总线结构的DMA，在传送数据时DMAC会接管CPU的AB，DB，CB，CPU的主存控制信号被禁用，知道DMA传输过程结束后恢复
更一般的DMA传送方式工作在三总线方式下，即DMA和MM之间存在一条专门的通路，这样子CPU就无需让权给DMAC了，但是这样子带来一个问题，当CPU和DMAC都想访存时，给谁访存——DMA传送方式

DMA传送方式
- 停止CPU访存：当DMAC访存时，不让CPU访存
- 交替访存：将存取周期划分为两个时间段，一个给CPU访存，一个给DMAC访存
- 周期（存取周期）挪用
  - 如果CPU正在访存，那么当其访存结束之后，DMAC访存
  - 如果CPU和DMAC同时发出访存请求，那么有限给DMAC访存

4、通道控制

在DMA控制方式中，CPU每次发出一个指令只能读写一个或者多个连续的数据块，如果需要读写离散的数据块那么则需要多条指令。为了解决这个问题，出现了通道控制方式，我们引入一个通道（相当于是一个小型CPU）执行一系列通道指令，以实现数据块的读写

通道读写过程
- CPU向通道指明通道程序在内存中的首地址和需要读写的设备，即可执行其他的程序
- 通道执行通道程序⁴
- 执行完毕向CPU报告（一个中断信号）

Part end：参考文献和一些说明

本章之所以单独列出，是因为这个部分在计算机组原理和操作系统中都有 ↩︎
关于IO百分比的说明，考试中常考这个计算。（1s内的IO次数∗IO时间）/1s（1s内的IO次数*IO时间）/1s（1s内的IO次数∗IO时间）/1s ↩︎
虽然说DMA控制器每次传输的单位是块，单并不是一次性传输完成的，一般来说数据块大小是512B，而DMA Controller中的Data Register的大小为32bit也就是4B，传输一个块需要128次的传送。在这个过程中，CPU也有可能访MM ↩︎
一个通道可以控制多个IO控制器，一个IO控制器可以控制多个设备 ↩︎

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