查询、中断与 DMA

复习

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TL;DR

• CPU 与设备交换数据，有三种方式：程序查询、中断、DMA
• 程序查询：CPU 反复问设备好了没，最笨也最浪费
• 中断：设备好了主动通知 CPU
• DMA：让设备直接和内存搬数据，几乎不用 CPU 插手

正文

　　上一章解决了“怎么对设备说话”。可一次数据传输，CPU 到底要参与多少？这一章看三种越来越省事的方式。

程序查询：不停追问

　　最简单的方式叫程序查询（programmed I/O）：CPU 把命令发给控制器，然后反复检查状态，等设备就绪，再一个字节一个字节地搬。

发命令 → 好了没？没好。好了没？没好。…… 好了 → 搬一个字节 → 再问

　　它实现简单，但 CPU 几乎所有时间都耗在“傻等 + 追问”上，效率极低。就像你站在打印机边上，一秒问一次“好了吗”，别的事什么都干不了。

中断：好了叫我

　　更聪明的办法是中断（interrupt）：CPU 发完命令就去干别的事，等设备准备好了，主动“叫”一声（发中断），CPU 再回来处理。

• CPU 不再空等，可以把时间花在别的进程上
• 设备就绪时，打断 CPU，响应中断、搬数据

　　这已经比查询高效得多——CPU 的时间没有被浪费在追问上。不过，如果数据量很大，每搬一个字节就中断一次，频繁的“打断—恢复”本身也是不小的开销。

DMA：让设备自己去搬

　　数据量一大，连“每次中断”都嫌烦。于是有了直接存储器访问（DMA，Direct Memory Access）：

• 先把“从哪搬、搬到哪、搬多少”告诉一个专门的 DMA 控制器
• 之后设备就和内存直接传输，不需要 CPU 参与每一个字节
• 整批传完，DMA 控制器再发一次中断通知 CPU

CPU：交给 DMA 控制器，我去忙别的
DMA 控制器：设备 ←→ 内存，批量搬……
搬完：中断通知 CPU

　　对比一下，CPU 的参与程度是逐步降低的：

　　一句话：从查询到中断再到 DMA，CPU 越来越省心。 谁也不想让珍贵的 CPU 去干“搬砖”的活。

思考题

　　既然 DMA 最省 CPU，为什么不是所有设备都用 DMA？对一个小键盘来说，用 DMA 值得吗？

小结

知识点

• 程序查询：CPU 反复检查设备状态，浪费严重
• 中断：设备就绪时主动通知 CPU
• DMA：设备与内存直接批量传输，CPU 只参与首尾
• 三种方式按数据量和设备特点选择

参考资料

1. Wikipedia(zh)：程序化输入输出：programmed I/O
2. Wikipedia(zh)：直接内存访问：DMA

思考题答案（仅供参考）

　　因为 DMA 需要专门的 DMA 控制器，还要占用总线、配置传输参数，本身是有成本的。对硬盘、网卡这种一次要搬成千上万字节、传输频繁的设备，摊下来很划算；可对键盘来说，一次往往只来一两个字节，用 DMA 就像“为寄一封信包一架飞机”，配置开销远大于收益，用中断反而更合适。所以选哪种方式，要看数据量和频率——工具没有最好，只有合适。

协议

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设计师 | 南国微雪