1. 項(xiàng)目概述為什么IO系統(tǒng)是408計(jì)組的“硬骨頭”如果你正在備考408計(jì)算機(jī)組成原理或者在工作中需要深入理解計(jì)算機(jī)底層是如何與外部世界打交道的那么“IO系統(tǒng)”這個(gè)章節(jié)絕對(duì)是你繞不開的一座山。我當(dāng)年復(fù)習(xí)408以及后來在硬件開發(fā)工作中對(duì)這部分內(nèi)容的感受尤為深刻。它不像CPU指令流水線那樣有清晰的邏輯美感也不像存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)那樣有直觀的速度對(duì)比圖。IO系統(tǒng)更像是一個(gè)龐大、雜亂但至關(guān)重要的“后勤部門”它負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)CPU這個(gè)“大腦”與鍵盤、鼠標(biāo)、硬盤、網(wǎng)卡等無數(shù)“感官和四肢”之間的通信。很多同學(xué)覺得IO系統(tǒng)難是因?yàn)樗R(shí)點(diǎn)零散——從IO接口的基本結(jié)構(gòu)到程序查詢、中斷、DMA三種控制方式再到磁盤、顯存等具體外設(shè)的管理最后到系統(tǒng)層面的IO軟件層次。這些內(nèi)容看似獨(dú)立實(shí)則環(huán)環(huán)相扣。更“要命”的是這部分題目非常靈活它喜歡把IO控制方式與中斷系統(tǒng)、總線傳輸、甚至是操作系統(tǒng)中的設(shè)備管理結(jié)合起來考一不留神就會(huì)掉進(jìn)出題人挖的坑里。網(wǎng)絡(luò)上流傳的“靈神408題單”里IO部分的題目往往以綜合性強(qiáng)、陷阱多而著稱這恰恰說明了它的重要性和難度。所以這篇內(nèi)容的目的就是幫你把這塊“硬骨頭”啃下來。我會(huì)以一個(gè)過來人和從業(yè)者的視角不僅梳理清楚IO系統(tǒng)的核心框架和每個(gè)知識(shí)點(diǎn)更會(huì)重點(diǎn)剖析那些容易混淆的概念、?？嫉目狱c(diǎn)以及如何將零散的知識(shí)串聯(lián)成網(wǎng)。無論你是正在沖刺408考研還是希望夯實(shí)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)相信這篇超過5000字的深度解析都能給你帶來實(shí)實(shí)在在的幫助。我們會(huì)從最根本的“為什么需要IO系統(tǒng)”開始一步步深入到DMA與中斷的微妙區(qū)別、磁盤調(diào)度算法的實(shí)戰(zhàn)選擇最終建立起一個(gè)完整的IO知識(shí)體系。2. IO系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與核心思路拆解2.1 核心需求彌合速度與形式的鴻溝計(jì)算機(jī)組成原理研究的是硬件如何協(xié)作來執(zhí)行程序。CPU和內(nèi)存構(gòu)成了高速的“核心計(jì)算域”而外部設(shè)備簡(jiǎn)稱外設(shè)則千差萬別。它們之間的差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面這也是IO系統(tǒng)存在的根本原因速度鴻溝CPU的運(yùn)算速度是納秒ns級(jí)的而機(jī)械硬盤的尋道時(shí)間是毫秒ms級(jí)的兩者相差百萬倍。讓CPU停下來等待慢速的硬盤讀完一個(gè)數(shù)據(jù)是極大的資源浪費(fèi)。這就好比讓F1賽車冠軍去等一個(gè)徒步的老奶奶過馬路效率極其低下。形式鴻溝CPU只能處理二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)而外設(shè)的信號(hào)形式五花八門。鍵盤產(chǎn)生的是按鍵通斷信號(hào)顯示器需要的是RGB模擬信號(hào)硬盤存儲(chǔ)的是磁化方向。這就需要一種“翻譯官”設(shè)備在中間進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、格式整理和電氣匹配。因此IO系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)思路就是在CPU主機(jī)與外設(shè)之間構(gòu)建一個(gè)高效、可靠、透明的數(shù)據(jù)交換與管理層。這個(gè)“透明”很重要意味著理想狀態(tài)下CPU不需要關(guān)心外設(shè)的具體細(xì)節(jié)它只需要發(fā)出“讀”或“寫”的指令剩下的臟活累活都由IO系統(tǒng)來完成。2.2 核心架構(gòu)接口、控制與軟件的三層視圖為了應(yīng)對(duì)上述需求IO系統(tǒng)在硬件和軟件上形成了經(jīng)典的三層架構(gòu)。理解這個(gè)架構(gòu)是學(xué)好本章的第一把鑰匙。硬件層IO接口適配器這是物理上的“連接器”和“翻譯官”。每類外設(shè)通常都有其專用的接口電路如SATA控制器、USB控制器、網(wǎng)卡。它的核心功能包括設(shè)備選址通過地址總線識(shí)別CPU要訪問的是哪個(gè)設(shè)備。數(shù)據(jù)緩沖設(shè)置數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR暫存數(shù)據(jù)緩解速度差異。狀態(tài)報(bào)告設(shè)置狀態(tài)寄存器向CPU報(bào)告設(shè)備是否就緒、是否出錯(cuò)如“忙Busy”、“完成Done”、“錯(cuò)誤Error”標(biāo)志位。控制命令譯碼解析CPU發(fā)來的控制命令并轉(zhuǎn)換成設(shè)備能執(zhí)行的具體操作。信號(hào)轉(zhuǎn)換完成數(shù)字信號(hào)與設(shè)備所需信號(hào)模擬、串行、并行等的轉(zhuǎn)換?？刂茖訑?shù)據(jù)交換控制方式這是決定CPU參與程度的“協(xié)作模式”。核心問題是誰來主導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程以及CPU是否需要等待。主要有三種方式其演進(jìn)體現(xiàn)了對(duì)CPU效率的不斷追求程序查詢方式CPU全程主導(dǎo)輪詢檢查設(shè)備狀態(tài)。簡(jiǎn)單但CPU利用率極低。程序中斷方式設(shè)備準(zhǔn)備好后“主動(dòng)”通知CPU。CPU在設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)時(shí)可以去執(zhí)行其他任務(wù)效率提升。DMA方式由專門的DMA控制器DMAC在內(nèi)存和外設(shè)間直接搬運(yùn)數(shù)據(jù)完全解放CPU。這是解決大批量數(shù)據(jù)如磁盤讀寫傳輸效率問題的終極硬件方案。軟件層IO軟件這是操作系統(tǒng)的一部分為上層應(yīng)用程序提供統(tǒng)一、簡(jiǎn)便的設(shè)備使用接口如read(),write()系統(tǒng)調(diào)用并管理底層復(fù)雜的硬件細(xì)節(jié)。包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、獨(dú)立于設(shè)備的IO軟件、用戶空間的IO庫等。這三層從上到下抽象程度遞減硬件依賴程度遞增。備考時(shí)硬件層和控制層是408考察的絕對(duì)重點(diǎn)軟件層通常與操作系統(tǒng)科目結(jié)合考察。3. 核心細(xì)節(jié)解析與實(shí)操要點(diǎn)3.1 IO接口的內(nèi)部世界寄存器與端口IO接口雖然因設(shè)備而異但其核心是一組可被CPU訪問的寄存器。CPU通過向這些寄存器讀寫數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的控制。這些寄存器在系統(tǒng)編址中被稱為IO端口。通常一個(gè)最基本的IO接口包含三類寄存器數(shù)據(jù)寄存器DR存放要輸入或輸出的數(shù)據(jù)。狀態(tài)寄存器SR存放設(shè)備狀態(tài)信息如“準(zhǔn)備好Ready”、“忙Busy”?？刂萍拇嫫鰿R存放CPU發(fā)來的控制命令如“啟動(dòng)設(shè)備”、“允許中斷”。這里的一個(gè)關(guān)鍵考點(diǎn)是IO端口的編址方式統(tǒng)一編址存儲(chǔ)器映射式IO將IO端口地址當(dāng)作內(nèi)存地址的一部分。CPU使用訪存指令如LOAD,STORE來操作IO端口。優(yōu)點(diǎn)是指令統(tǒng)一編程方便缺點(diǎn)是占用了一部分內(nèi)存地址空間。獨(dú)立編址為IO端口設(shè)立獨(dú)立的地址空間。CPU需要專門的IO指令如IN,OUT來訪問。優(yōu)點(diǎn)是不占用內(nèi)存空間IO操作與內(nèi)存操作指令分開清晰缺點(diǎn)是需要額外的控制信號(hào)和指令。實(shí)操心得在解題時(shí)看到題目描述CPU用MOV指令訪問某個(gè)地址來控制設(shè)備那一定是統(tǒng)一編址。如果出現(xiàn)了IN/OUT指令則是獨(dú)立編址。這個(gè)判斷直接影響后續(xù)關(guān)于總線操作和中斷響應(yīng)的分析。3.2 程序中斷方式不僅僅是“打斷”中斷是IO系統(tǒng)中最為精妙的設(shè)計(jì)之一它實(shí)現(xiàn)了CPU與外設(shè)的“異步并行”工作。但很多同學(xué)對(duì)中斷過程的理解停留在“打斷-處理-返回”的粗淺層面而408恰恰喜歡考其中的細(xì)節(jié)。一個(gè)完整的中斷處理流程包括以下幾個(gè)階段每個(gè)階段都可能出題中斷請(qǐng)求外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后置位其接口中的中斷請(qǐng)求觸發(fā)器向CPU發(fā)出中斷信號(hào)INT。中斷判優(yōu)如果多個(gè)中斷同時(shí)到來需要根據(jù)優(yōu)先級(jí)決定先響應(yīng)誰。判優(yōu)可以用硬件如鏈?zhǔn)脚抨?duì)器、硬件優(yōu)先級(jí)編碼器或軟件查詢程序?qū)崿F(xiàn)。中斷響應(yīng)CPU在每條指令執(zhí)行周期的末尾檢查是否有中斷請(qǐng)求。若有且未被屏蔽IF1則進(jìn)入響應(yīng)周期。響應(yīng)時(shí)CPU會(huì)做兩件至關(guān)重要的事關(guān)中斷將中斷允許觸發(fā)器IF清零防止在保存現(xiàn)場(chǎng)時(shí)被新的中斷打斷導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)保存不完整。保存斷點(diǎn)將當(dāng)前程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容壓入堆?；虼嫒胩囟拇嫫饕员惴祷亍Ｖ袛喾?wù)CPU執(zhí)行該外設(shè)對(duì)應(yīng)的中斷服務(wù)程序ISR。在ISR開始通常需要進(jìn)一步保存通用寄存器的內(nèi)容現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)然后進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)交換操作。執(zhí)行完畢需要恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷最后執(zhí)行中斷返回指令將之前保存的斷點(diǎn)彈回PC。避坑指南這里有幾個(gè)高頻易錯(cuò)點(diǎn)。第一“中斷響應(yīng)”和“中斷處理”是兩個(gè)概念響應(yīng)是CPU硬件自動(dòng)完成的瞬間動(dòng)作關(guān)中斷、保存PC處理是執(zhí)行ISR的軟件過程。第二保存斷點(diǎn)是硬件自動(dòng)完成的但保存通用寄存器現(xiàn)場(chǎng)是ISR軟件開始的指令完成的。第三單重中斷下整個(gè)ISR執(zhí)行過程是關(guān)中斷的多重中斷中斷嵌套則復(fù)雜得多需要在保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)后立即開中斷。3.3 DMA方式與中斷的本質(zhì)區(qū)別DMA直接存儲(chǔ)器存取是為了解決程序中斷方式在傳輸大量數(shù)據(jù)時(shí)頻繁進(jìn)出ISR導(dǎo)致CPU效率低下的問題。DMA控制器DMAC像一個(gè)“專職的搬運(yùn)工”。DMA的工作流程通常分為三步預(yù)處理CPU對(duì)DMAC進(jìn)行初始化編程告訴它數(shù)據(jù)在內(nèi)存的哪個(gè)位置起始地址、要傳多少字計(jì)數(shù)、數(shù)據(jù)要傳到哪個(gè)外設(shè)設(shè)備地址、傳輸方向讀/寫。然后啟動(dòng)外設(shè)。數(shù)據(jù)傳輸外設(shè)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后向DMAC發(fā)請(qǐng)求DREQ。DMAC接管總線控制權(quán)向CPU發(fā)總線請(qǐng)求HRQ。CPU在當(dāng)前總線周期結(jié)束后讓出總線控制權(quán)并回應(yīng)總線響應(yīng)HLDA。此后DMAC作為主設(shè)備直接在內(nèi)存和外設(shè)接口之間完成一個(gè)或一批數(shù)據(jù)的傳輸。每傳一個(gè)字DMAC自動(dòng)修改內(nèi)存地址和字計(jì)數(shù)。后處理當(dāng)字計(jì)數(shù)減到0傳輸完成DMAC向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行結(jié)束處理如校驗(yàn)數(shù)據(jù)等。DMA與中斷的核心區(qū)別我總結(jié)為下表特性程序中斷方式DMA方式數(shù)據(jù)交換核心CPU程序ISRDMA控制器硬件響應(yīng)時(shí)間一條指令結(jié)束后一個(gè)總線周期結(jié)束后處理單位程序處理事件數(shù)據(jù)塊對(duì)CPU影響需要保存/恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)CPU執(zhí)行ISR指令僅占用總線周期CPU可繼續(xù)執(zhí)行不訪存的指令如寄存器運(yùn)算數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)需經(jīng)過CPU的寄存器數(shù)據(jù)直接在IO設(shè)備和內(nèi)存間流動(dòng)適用場(chǎng)景低速、隨機(jī)、小批量的IO高速、成批的數(shù)據(jù)傳輸如磁盤、網(wǎng)絡(luò)包、圖形顯存深度解析為什么DMA下CPU還能工作因?yàn)镃PU讓出的只是總線的控制權(quán)。只要當(dāng)前執(zhí)行的指令不訪問內(nèi)存即不需要使用總線例如在寄存器中進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算這條指令就可以繼續(xù)執(zhí)行。這就是所謂的“CPU與IO并行工作”的更高級(jí)形態(tài)。而中斷方式下一旦響應(yīng)中斷CPU必須停下當(dāng)前工作轉(zhuǎn)去執(zhí)行ISR。4. 實(shí)操過程與核心環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)4.1 磁盤存儲(chǔ)器管理從物理到邏輯的調(diào)度藝術(shù)磁盤是IO系統(tǒng)中最典型、最復(fù)雜的外設(shè)之一。管理磁盤核心是解決“機(jī)械延遲”帶來的性能瓶頸。一次磁盤讀寫操作的時(shí)間由三部分構(gòu)成尋道時(shí)間 \(T_s\)磁頭移動(dòng)到目標(biāo)磁道的時(shí)間。這是最耗時(shí)的部分也是調(diào)度算法優(yōu)化的主要目標(biāo)。旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間 \(T_r\)盤片旋轉(zhuǎn)使目標(biāo)扇區(qū)到達(dá)磁頭下方的時(shí)間。平均為旋轉(zhuǎn)半圈的時(shí)間。傳輸時(shí)間 \(T_t\)讀寫扇區(qū)數(shù)據(jù)的時(shí)間。因此總時(shí)間 \(T_a T_s T_r T_t\)。操作系統(tǒng)通過磁盤調(diào)度算法來優(yōu)化請(qǐng)求隊(duì)列的順序主要目的是減少平均尋道時(shí)間。以下是幾種經(jīng)典算法及其應(yīng)用場(chǎng)景分析先來先服務(wù)FCFS按請(qǐng)求到達(dá)順序服務(wù)。公平但性能差磁頭可能來回移動(dòng)適用于請(qǐng)求很少的場(chǎng)景。最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF總是選擇離當(dāng)前磁頭位置最近的請(qǐng)求。性能優(yōu)于FCFS但可能導(dǎo)致“饑餓”現(xiàn)象即邊緣磁道的請(qǐng)求可能長(zhǎng)期得不到服務(wù)。掃描算法SCAN電梯算法磁頭從一個(gè)方向開始移動(dòng)處理沿途的所有請(qǐng)求直到到達(dá)該方向的最后一個(gè)磁道然后掉頭反向移動(dòng)。避免了饑餓但對(duì)最近掃描過的區(qū)域不公平。循環(huán)掃描算法C-SCAN磁頭單向移動(dòng)如只從內(nèi)到外處理沿途請(qǐng)求到達(dá)終點(diǎn)后立即快速返回起點(diǎn)不處理請(qǐng)求重新開始。提供了更均勻的等待時(shí)間。LOOK與C-LOOK算法SCAN和C-SCAN的改進(jìn)版。磁頭不需要移動(dòng)到磁盤的物理端點(diǎn)只需移動(dòng)到該方向上的最遠(yuǎn)請(qǐng)求點(diǎn)就掉頭或返回。這是現(xiàn)代操作系統(tǒng)中更常用的實(shí)際算法。解題技巧遇到磁盤調(diào)度計(jì)算題第一步是畫出磁道請(qǐng)求序列和當(dāng)前磁頭位置。計(jì)算總尋道距離時(shí)務(wù)必注意磁頭移動(dòng)的軌跡。對(duì)于SCAN類算法要明確初始移動(dòng)方向。選擇題常考各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比特別是“饑餓”現(xiàn)象和“公平性”問題。4.2 實(shí)戰(zhàn)推演一次完整的IO操作時(shí)序分析讓我們結(jié)合總線周期模擬一次在程序中斷方式下的輸入操作這是綜合考查CPU、總線、接口、中斷的經(jīng)典題型。假設(shè)系統(tǒng)采用獨(dú)立編址單重中斷且中斷向量地址由硬件產(chǎn)生。場(chǎng)景CPU執(zhí)行主程序需要從某輸入設(shè)備讀入一個(gè)數(shù)據(jù)字。啟動(dòng)設(shè)備CPU執(zhí)行一條OUT指令向該設(shè)備的控制端口寫入“啟動(dòng)”命令。該指令包含一個(gè)總線寫周期。CPU繼續(xù)執(zhí)行CPU繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)與IO無關(guān)的指令。設(shè)備準(zhǔn)備與請(qǐng)求設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。完成后將數(shù)據(jù)放入接口的數(shù)據(jù)寄存器同時(shí)將狀態(tài)寄存器中的“完成Done”位置1并置位中斷請(qǐng)求觸發(fā)器向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。中斷響應(yīng)假設(shè)CPU在執(zhí)行一條ADD指令非訪存指令。在該指令執(zhí)行周期的末尾CPU檢測(cè)到中斷請(qǐng)求且中斷開放IF1。CPU進(jìn)入中斷響應(yīng)周期。硬件自動(dòng)完成關(guān)中斷IF0-保存斷點(diǎn)PC入棧-將中斷向量地址送入PC。注意這個(gè)“中斷響應(yīng)周期”本身也是一個(gè)或多個(gè)總線周期用于從數(shù)據(jù)總線上讀取中斷類型碼或直接生成向量地址。中斷處理PC指向中斷服務(wù)程序ISR入口。ISR第一條指令通常是PUSH用于保存通用寄存器現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)。接著CPU執(zhí)行IN指令從設(shè)備的數(shù)據(jù)端口讀取數(shù)據(jù)到CPU的累加器如AX。該指令包含一個(gè)總線讀周期。讀取后可能需要向設(shè)備的狀態(tài)端口寫入命令以清除中斷請(qǐng)求。然后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)POP指令開中斷STI指令最后執(zhí)行中斷返回指令I(lǐng)RET。返回主程序IRET指令從棧中彈出斷點(diǎn)地址送回PCCPU從主程序被打斷的下一條指令繼續(xù)執(zhí)行。在這個(gè)過程中總線周期是關(guān)鍵線索。OUT啟動(dòng)設(shè)備是一個(gè)寫周期IN讀取數(shù)據(jù)是一個(gè)讀周期中斷響應(yīng)周期可能包含讀周期取向量PUSH/POP、IRET都涉及對(duì)棧的讀寫也是總線周期。題目常問“在此期間共發(fā)生了多少次總線操作”就需要你清晰地?cái)?shù)出所有這些周期。5. 常見問題與排查技巧實(shí)錄在學(xué)習(xí)和解題過程中我總結(jié)了一些最容易出錯(cuò)和混淆的點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)策略。5.1 概念辨析中斷向量 vs. 中斷向量地址 vs. 中斷類型碼這是中斷部分最讓人頭疼的一組概念。中斷類型碼一個(gè)分配給每個(gè)中斷源的唯一編號(hào)如0~255。用于在中斷控制器中標(biāo)識(shí)中斷源。中斷向量指中斷服務(wù)程序ISR的入口地址。它是一個(gè)內(nèi)存地址指向處理該中斷的代碼從哪里開始執(zhí)行。中斷向量地址指存放“中斷向量”的那個(gè)內(nèi)存單元的地址。通常由“中斷類型碼 × 4”計(jì)算得到在8086/88中每個(gè)向量占4字節(jié)CS和IP。關(guān)系鏈中斷源 - 中斷類型碼 - 中斷向量地址 - (從中斷向量地址中取出) 中斷向量 - 跳轉(zhuǎn)到ISR執(zhí)行。記憶口訣“類型碼是身份證號(hào)向量是家的地址向量地址是存放這個(gè)地址的信箱號(hào)”。題目常問“中斷向量存放在哪里”答案就是“中斷向量表中斷向量地址所指向的連續(xù)內(nèi)存區(qū)域”。5.2 綜合應(yīng)用題CPU利用率與IO時(shí)間計(jì)算這類題目通常給出CPU速度、IO設(shè)備數(shù)據(jù)準(zhǔn)備時(shí)間、中斷處理時(shí)間等參數(shù)要求計(jì)算在某種IO控制方式下CPU用于處理IO的時(shí)間占比。解題步驟確定工作周期分析完成一次完整的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備需要多少時(shí)間準(zhǔn)備T_prepare以及CPU需要花多少時(shí)間進(jìn)行干預(yù)T_cpu_service。在中斷方式下T_cpu_service就是執(zhí)行一次ISR的時(shí)間包括保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)、數(shù)據(jù)傳輸、恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)等。建立模型程序查詢方式CPU一直在輪詢檢查狀態(tài)所以CPU利用率 ≈ 處理一次數(shù)據(jù)的時(shí)間 / (處理時(shí)間 準(zhǔn)備時(shí)間)錯(cuò)在程序查詢下CPU在設(shè)備準(zhǔn)備期間也在忙執(zhí)行查詢指令所以CPU始終處于忙碌狀態(tài)但有效工作處理數(shù)據(jù)的占比極低。準(zhǔn)確說CPU花費(fèi)在有效IO操作上的時(shí)間占比 T_cpu_service / (T_prepare T_cpu_service)。程序中斷方式設(shè)備準(zhǔn)備時(shí)CPU執(zhí)行其他程序。設(shè)備準(zhǔn)備好后打斷CPUCPU花T_cpu_service時(shí)間處理中斷。因此處理一個(gè)數(shù)據(jù)塊CPU花費(fèi)在IO上的時(shí)間比例 (T_cpu_service) / (T_prepare T_cpu_service)。注意分母是整個(gè)IO周期而CPU只在其中的T_cpu_service時(shí)間段內(nèi)為這個(gè)IO服務(wù)。DMA方式假設(shè)傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)塊需要發(fā)起一次DMA請(qǐng)求。CPU的干預(yù)時(shí)間分為兩塊預(yù)處理時(shí)間T_setup初始化DMAC和后處理時(shí)間T_finish響應(yīng)結(jié)束中斷。數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間T_transfer由DMAC完成。CPU利用率 (T_setup T_finish) / (T_setup T_transfer T_finish)。通常T_transfer遠(yuǎn)大于前兩者所以CPU利用率很高。代入計(jì)算仔細(xì)讀題區(qū)分“CPU周期”、“時(shí)鐘周期”、“指令周期”。注意單位換算ms, μs, ns。如果涉及多設(shè)備考慮中斷排隊(duì)或DMA請(qǐng)求的競(jìng)爭(zhēng)。5.3 易錯(cuò)點(diǎn)排查清單【中斷屏蔽】中斷屏蔽字的作用是改變處理機(jī)優(yōu)先級(jí)從而決定是否響應(yīng)新的中斷請(qǐng)求。它屏蔽的是請(qǐng)求源而不是屏蔽CPU的中斷功能那是IF標(biāo)志位的作用?！綝MA與中斷的共存】一個(gè)系統(tǒng)里DMA和中斷往往同時(shí)存在。DMA用于大數(shù)據(jù)塊傳輸傳輸結(jié)束后DMAC會(huì)向CPU發(fā)一個(gè)中斷通知CPU進(jìn)行后處理。所以DMA的結(jié)束是靠中斷來通知的?！尽爸芷谂灿谩钡谋举|(zhì)】DMA的“周期挪用”是指當(dāng)DMA請(qǐng)求與CPU訪存沖突時(shí)DMAC優(yōu)先獲得一個(gè)或幾個(gè)總線周期。此時(shí)CPU可能處于“等待狀態(tài)”如果它正想訪存或者繼續(xù)執(zhí)行不訪存的指令。它“挪用”的是總線周期不是CPU的執(zhí)行周期。【磁盤地址格式】給定磁盤容量、柱面數(shù)、磁頭數(shù)、扇區(qū)數(shù)要能熟練計(jì)算尋址信息。例如CHS柱面-磁頭-扇區(qū)地址需要多少位來表示?，F(xiàn)代磁盤多采用LBA邏輯塊地址但原理題仍可能考CHS。【RAID級(jí)別的選擇】RAID0提高速度無冗余RAID1鏡像備份高冗余低效率RAID5奇偶校驗(yàn)分布式存儲(chǔ)兼顧性能與冗余。選擇題?？疾煌瑧?yīng)用場(chǎng)景如數(shù)據(jù)庫、視頻編輯、Web服務(wù)器下的最佳RAID級(jí)別選擇?；仡櫿麄€(gè)IO系統(tǒng)它的設(shè)計(jì)哲學(xué)始終圍繞著“效率”與“抽象”兩個(gè)核心。從最笨拙的程序查詢到引入中斷實(shí)現(xiàn)初步并行再到用DMA實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通路的革命性解放每一步都是為了把CPU從繁瑣的IO等待中解放出來。而IO接口和IO軟件則共同構(gòu)建了一個(gè)讓CPU可以“偷懶”的標(biāo)準(zhǔn)化界面。對(duì)于備考408的同學(xué)我的建議是不要孤立地記憶零散知識(shí)點(diǎn)。嘗試畫出一張IO系統(tǒng)的全景圖把外設(shè)、接口、總線、CPU、中斷控制器、DMA控制器、磁盤、緩存都放進(jìn)去思考一次具體的IO請(qǐng)求比如點(diǎn)擊鼠標(biāo)、保存文件是如何在這個(gè)系統(tǒng)中流動(dòng)的經(jīng)歷了哪些硬件和軟件的環(huán)節(jié)。當(dāng)你能夠清晰地描述出這個(gè)數(shù)據(jù)流和控制流時(shí)IO系統(tǒng)就真正學(xué)通了。在做題時(shí)養(yǎng)成“時(shí)序化”思考的習(xí)慣在時(shí)間軸上標(biāo)注出每個(gè)關(guān)鍵事件指令執(zhí)行、總線請(qǐng)求、中斷響應(yīng)、數(shù)據(jù)傳送很多復(fù)雜問題就會(huì)迎刃而解。