I / O接口(中断和DMA模式)

在内部存储器和外部I / O设备之间传输信息的方法称为I / O接口。通过连接到任何计算机系统的外围设备，使用特殊的通信链接来连接CPU。这些通信链接用于解决CPU与外围设备之间的差异。 CPU和外设之间存在特殊的硬件组件，以监督和同步所有称为接口单元的输入和输出传输。

转移方式：

从外部设备接收到的二进制信息通常存储在存储单元中。从CPU传输到外部设备的信息源自存储单元。 CPU仅处理信息，而源和目标始终是存储单元。 CPU和I / O设备之间的数据传输可以以不同的模式进行。

可以通过三种可能的方式中的任何一种与外围设备进行数据传输

1. 编程的I / O。
2. 中断启动的I / O。
3. 直接内存访问(DMA)。

现在让我们逐一讨论每种模式。

1. 编程的I / O：这是由于计算机程序中写入的I / O指令的结果。每次数据项传输均由程序中的一条指令启动。通常，传输是从CPU寄存器和内存进行的。在这种情况下，需要外围设备的CPU进行持续监视。

   编程I / O的示例：在这种情况下，I / O设备无法直接访问存储单元。从I / O设备到内存的传输需要CPU执行几条指令，包括将数据从设备传输到CPU的输入指令，以及将数据从CPU传输到内存的存储指令。在已编程的I / O中，CPU停留在程序循环中，直到I / O单元指示已准备好进行数据传输为止。这是一个耗时的过程，因为它不必要地使CPU繁忙。通过使用中断工具可以避免这种情况。这将在下面讨论。

2. 中断启动的I / O：由于在上述情况下，我们看到CPU不必要地处于繁忙状态。通过使用中断驱动的方法进行数据传输可以很好地避免这种情况。通过使用中断功能和特殊命令来通知接口，只要有任何设备可用的数据，便发出中断请求信号。同时，CPU可以继续执行其他任何程序。同时，该界面会持续监控设备。只要确定设备已准备好进行数据传输，它就会向计算机发出中断请求信号。在检测到外部中断信号时，CPU会立即停止其已经在执行的任务，分支到服务程序以处理I / O传输，然后返回到其最初正在执行的任务。

   注意：编程的I / O和中断驱动的I / O均需要主动干预。
   处理器在内存和I / O模块之间传输数据，并且任何数据传输都必须横向进行
   通过处理器的路径。因此，这两种形式的I / O都有两个固有的缺点。

   • I / O传输速率受处理器测试和服务处理器速度的限制。
     设备。
   • 处理器与管理I / O传输密切相关。必须执行许多指令
     每个I / O传输。
3. 直接内存访问：快速存储介质(例如磁盘)和存储单元之间的数据传输受CPU速度的限制。因此，我们可以允许外设使用内存总线直接相互通信，从而消除了CPU的干预。这种类型的数据传输技术称为DMA或直接内存访问。在DMA期间，CPU处于空闲状态，并且无法控制内存总线。 DMA控制器接管总线以直接管理I / O设备与存储单元之间的传输。

   

   总线请求： DMA控制器使用它来请求CPU放弃对总线的控制。

   总线授权：由CPU激活，以通知外部DMA控制器总线处于高阻抗状态，并且请求的DMA可以控制总线。 DMA控制了总线后，便会传输数据。这种转移可以通过多种方式进行。

   使用DMA控制器的DMA传输类型：

   突发传输：
   DMA在完成数据传输后返回总线。寄存器用作字节数，
   在每次字节传输时递减，并且当字节计数达到零时，DMAC将
   放下巴士。当DMAC在突发模式下运行时，CPU在数据持续时间内暂停
   转移。
   涉及的步骤有：

   1. 总线授予请求时间。
   2. 以设备的传输速率传输整个数据块，因为设备通常比传输速度慢
      数据可以传输到CPU的速度。
   3. 将总线的控制权释放回CPU
      因此，传输N个字节所需的总时间
      =总线授予请求时间+(N)*(内存传输速率)+总线释放控制时间。

   Where,
   X µsec =data transfer time or preparation time (words/block)
   Y µsec =memory cycle time or cycle time or transfer time (words/block)
   % CPU idle (Blocked)=(Y/X+Y)*100
   % CPU Busy=(X/X+Y)*100

   循环偷窃：
   一种替代方法，其中DMA控制器一次传输一个字，然后必须将总线的控制权返回给CPU。 CPU仅将其操作延迟一个内存周期，以允许直接内存I / O传输“窃取”一个内存周期。
   涉及的步骤是：

   1. 将字节缓冲到缓冲区中
   2. 通知CPU设备有1个字节要传输(即总线授权请求)
   3. 传输字节(以系统总线速度)
   4. 将总线的控制权释放回CPU。

      在继续传输数据的下一个字节之前，设备会再次执行步骤1，以使总线不会被束缚，并且
      传输将不取决于设备的传输速率。
      因此，对于1字节的数据传输，使用周期窃取模式(T)需要花费时间。
      =授予总线所需的时间+ 1个总线周期来传输数据+释放总线所需的时间，将为
      净重

   在循环窃取模式下，我们始终遵循流水线概念，即当传输一个字节时，设备将并行准备下一个字节。如果询问“ CPU时间与数据传输时间的比例”，则使用周期窃取模式。

   Where,
   X µsec =data transfer time or preparation time
   (words/block)
   Y µsec =memory cycle time or cycle time or transfer
   time (words/block)
   % CPU idle (Blocked) =(Y/X)*100
   % CPU busy=(X/Y)*100 
   

   交错模式：在这种技术中，当
   微处理器不使用它。另一个半周期，即半周期DMA +半周期处理器。注意：在Gate Exam中，您可以直接将上述公式应用于DMA传输的不同模式。