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1.程序查询方式

2.程序中断方式

3.DMA方式

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1.程序查询方式

①I/O速率 ②缓冲区大小 ③查询一次时间开销

① / ② → ④查询频率；③ * ④ → ⑤查询时间占比

1.scanf函数发出系统调用请求操作系统从键盘等设备读取字符时，是在该进程的时间片内不断while循环轮询，当该进程时间片用完后就会切换进程，即该进程被剥夺处理机的使用权，故不会导致一直占用处理机

2.I/O设备通过USB与主机相连，USB带有I/O接口（I/O设备的软件部分），I/O设备和主机之间发生数据交互时，为了解决两者之间的速度差异，将会把数据先放入I/O接口的缓冲区中

3.不同的I/O接口的缓冲区大小不同（字 / 字节）

4.如果缓冲区的数据不被及时取走，当有新数据不断存入时，旧数据将会被新数据覆盖：I / O设备按照一定的速率将数据写入缓冲区，CPU需要按照一定的频率从缓冲区取出数据，并将其放入主存（数据流向：缓冲区→CPU寄存器→主存），故CPU查询的频率 ≥ I/O设备数据速率

例如：I/O设备数据输入速率为100KB/S，缓冲区大小为4B，则1S内CPU需要查询100/4 = 25次

①I/O设备和I/O接口的传输速率，即I/O设备数据输入速率

②缓冲区的大小（注意单位：字 / 字节）

① / ② = CPU定时查的频率 ：若低于频率，则可能发生数据丢失；若高于，则不丢失

5.CPU用于查询的时间占总时间的比例 ：

①查一次的时间开销

②一秒钟查询次数

① * ②得到每一秒钟查询的总时间→时间占比

（1）①定时查询I/O方式：即程序轮询

②I/O接口中的缓冲区大小为32位，即4B；I/O设备的数据传输速率为2MB/s

③CPU查询频率 = 2MB/s / 4B = 500 000，1S查询500 000次，需2μs查询一次

④用于设备A输入/输出的时间占比：每次输入 / 输入都要至少执行10条指令，且CPI = 4→每次查询需要10 * 4 = 40条指令；主频为500MHz→时间占比 = 40 * 500 000 / 500 000 000 = 4 %

2.程序中断方式

1.I/O接口的数据缓冲区满，I/O接口给CPU发送I/O中断信号，CPU检测到I/O中断后进行中断处理

①中断响应（中断隐指令） ②中断服务程序

程序中断方式的CPU取数据时间 = ① + ②

2.③I / O 速率 ④缓冲区大小 → ③ / ④ 每隔多久缓冲区满 ⑤→ CPU取数据时间 ① + ② ≤ ⑤

（2）每次中断的时钟周期为400，则① + ②的时间；

40MB/s（B的I/O速率）/ 4B（缓冲区大小）= 10M次中断/s

10M * 400 = 4000M时钟周期，而计算机主频为500MHz < 4000M，即CPU无法满足中断处理次数，将会发生数据覆盖

（1）①以32位为传输单位：缓冲区大小为32bit，即4B

②中断服务程序18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令：每次中断处理需要20条指令 + CPI = 5 → 每次中断的时钟周期  = 20 * 5 = 100

③每秒钟需要进行的中断次数 = 0.5MB/s（I/O速率）/ 4B（缓冲区大小）= 125 000次

④占比：125 000 * 100（每秒中断总时钟周期）/ 500 000 000（主频）= 2.5 % 

3.DMA方式

1.DMA接口和主机之间的数据传输以块为单位，但DMA接口与I/O设备的传输仍以字为单位

2.①预处理：CPU执行一连串指令告诉DMA接口接下来需要读/写几个字，读/写主存的位置（块）

②数据传输：DMA接口的缓冲区被充满后以字为单位放入主存块中，主存块满后发出中断信号

③后处理：CPU处理DMA中断

3.DMA方式本质上是程序中断方式的扩展：DMA每个块发出中断，程序中断方式每个字发出中断

4.程序查询方式和程序中断方式可能发生数据丢失，但是DMA不可能发生数据丢失

（3） ①每次DMA传送的数据块大小为1000B，即用于DMA传送的主存块大小为1000B

②每秒DMA中断的次数 = 40MB/s / 1000B = 40 000次

③每次DMA中断的时间开销 = 500个时钟周期

④占比 = 40 000 * 5000 / 500MHz = 2%

（2）①每秒DMA中断次数 = 5MB/s / 5 000B = 1 000次

②每次DMA中断的时间开销 = 500次

③占比 = 500 * 1000 / 500M = 0.1%

（1）①异步串行通信需要开始位：1 + 7 + 1 + 1 = 10位

②1 / 0.5ms = 2000个字符

（2）①I/O设备分为两种：1.按自己节奏运行，不听CPU命令的设备 2.听CPU指挥何时运行何时停止的设备；其中第15条指令启动D工作，则说明设备D是后者

②中断响应需要10个时钟周期，设备D在中断服务程序的第15条指令执行后开始工作，即设备D的工作间隔为10 + 15 * 4 = 70个时钟周期

③CPU的时钟周期为 1s / 50MHz = 20ns；字符D每次工作所需的时钟周期为0.5ms / 20ns = 25000

④设备D传输一个字符所需的时钟周期数 = 25 000 + 70 = 25 070→1000个字符所需的时钟周期 = 25 700 * 1 000  = 25 700 000

⑤设备D每次处理完给CPU发出中断请求，CPU处理一次中断请求所需时钟周期数 = 中断响应 + 中断服务程序10 + 20 * 4 = 90；1000个字符所需时钟周期数 = 1 000 * 90 = 90 000

⑥中断响应完成关中断、保护断点、中断服务程序寻址