2.3 緩沖、中斷和DMA技術(shù)

1．緩沖技術(shù)

脫機(jī)、批處理還沒(méi)有完全解決CPU與外部設(shè)備速度的匹配問(wèn)題，無(wú)論是從讀卡機(jī)還是從磁帶中讀入，相對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)，讀入數(shù)據(jù)的速度總嫌慢。進(jìn)一步的解決方法是采用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)的原理是將數(shù)據(jù)存放到一個(gè)特定的緩沖區(qū)中，當(dāng)CPU從緩沖區(qū)中取得了數(shù)據(jù)，在對(duì)它進(jìn)行運(yùn)算之前，再啟動(dòng)輸入設(shè)備以輸入下一個(gè)數(shù)據(jù)至緩沖區(qū)。這樣在CPU進(jìn)行運(yùn)算時(shí)，外部設(shè)備的輸入工作也在同時(shí)進(jìn)行。同樣，輸出也可采用緩沖技術(shù)。采用了帶緩沖的輸入／輸出技術(shù)后，CPU與外部設(shè)備就能做到并行操作，減少了互相等待的時(shí)間，極大地提高了CPU與各種外部設(shè)備的使用效率。

2．中斷技術(shù)

具有緩沖的輸入輸出也帶來(lái)了新的問(wèn)題。一個(gè)問(wèn)題是處理機(jī)要知道I/O設(shè)備什么時(shí)候已完成了輸入操作，以便處理輸入數(shù)據(jù)并啟動(dòng)下一個(gè)I/O。如果要靠CPU反復(fù)地查詢輸入設(shè)備的狀態(tài)，就會(huì)浪費(fèi)很多CPU的時(shí)間。中斷技術(shù)的出現(xiàn)解決了這個(gè)難題。只要I/O設(shè)備一旦完成了輸入／輸出操作，它會(huì)自動(dòng)地向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。CPU收到中斷信號(hào)后，就暫停當(dāng)前的處理工作，在做了一些必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)、中斷處理工作后，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序讀出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)下一個(gè)I/O操作。從中斷服務(wù)程序返回后，操作系統(tǒng)恢復(fù)被中斷的運(yùn)算過(guò)程。

中斷處理機(jī)構(gòu)需要在系統(tǒng)棧上保存中斷返回地址，還要保護(hù)中斷時(shí)的其他現(xiàn)場(chǎng)，如累加器和其他寄存器的值。在完成了中斷服務(wù)之后，中斷程序要恢復(fù)原先的中斷現(xiàn)場(chǎng)，取得斷口地址以使計(jì)算機(jī)繼續(xù)原先的處理工作。CPU在處理一個(gè)中斷事務(wù)時(shí)，如果又收到另一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的中斷請(qǐng)求，就會(huì)暫停當(dāng)前的中斷服務(wù)，轉(zhuǎn)而去處理更為緊迫的操作，這樣就形成了中斷的嵌套。

3．DMA技術(shù)

對(duì)于慢速的I/O設(shè)備（如鍵盤、串行口等），CPU在執(zhí)行有關(guān)的中斷服務(wù)程序后，還可利用剩下的大部分時(shí)間來(lái)執(zhí)行其他的計(jì)算工作。但對(duì)于像磁帶、磁盤或高速網(wǎng)絡(luò)通信接口，CPU響應(yīng)中斷和處理數(shù)據(jù)所費(fèi)的時(shí)間可以比數(shù)據(jù)到達(dá)的時(shí)間間隔更長(zhǎng)。這樣，即使處理機(jī)的時(shí)間全部用于處理中斷和接收輸入數(shù)據(jù)，也仍然會(huì)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況。

為了解決這個(gè)難題，產(chǎn)生了直接存儲(chǔ)器存?。―MA）技術(shù)。一旦收到了DMA發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求后，CPU在設(shè)置了緩沖區(qū)、指針和計(jì)數(shù)器后，DMA就可以不需要CPU干預(yù)，在內(nèi)存和設(shè)備之間傳送整塊數(shù)據(jù)。這樣，通過(guò)DMA每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊僅需要一次中斷處理，而不是像低速設(shè)備那樣每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)都需要一次中斷處理。