計算機組織

1. 第 七 章
中斷效能補償
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2. 簡報綱要
7.1 引言
7.2 互連技術
7.3 I/O設備
7.4 I/O模組和外部設備
7.5 I/O命令
7.6 程式I/O策略 7.8 DMA策略
7.7 中斷I/O策略 7.9 結語
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3. 核心重點
• 大部分的I/O設備屬於慢速
元件，即使是最快的I/O設
備，仍然很難跟上CPU、或
記憶體的速度。
• 一般電腦有三種存取I/O設備的策略：程式I/O、中斷I/O、
一般電腦有三種存取I/O設備的策略：程式I/O、中斷I/O、
DMA。
DMA。
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4. 1954年…
美國陸軍建置一台稱為NBS DYSEAC的行動電腦
（mobile computer），所有的設備分別放在兩
部拖拉機上面，總重量約20噸，比ENIAC輕；
儘管這部電腦相當努力在行動能力的表現，但
是最大的成就卻是對I/O設備的影響。
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5. 最原始的中斷觀念
兩部拖拉機使用兩個PC，分開指揮兩個不
同程式的執行。
如果某個服務程式需要等待時間（比如：
該I/O設備可能需要一點時間運作）時，
可以立刻切換到另一個程式執行，不必癡
癡等待，讓整體發揮最佳化效能。
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6. 最原始的DMA雛形
DYSEAC電腦引進一個觀念…，即使程式正在
執行時，也可以將I/O設備的資料直接傳輸到
記憶體，然後在完成傳輸後，再中斷這個程
式。
∼Knuth
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7. CPU - I/O設備之間的效能失衡
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8. 慢速的I/O設備
I/O應用可能是某種特殊功
能的專用模組開發，由於市
場受到規模的限制，因而所
製造的I/O 設備，通常是慢
速的。
I/O效能往往成為電腦的另一個瓶頸，因為有許多I/O設備仍使用
I/O效能往往成為電腦的另一個瓶頸，因為有許多I/O設備仍使用
機電設計，這更加深「I/O設備是慢速元件」的印象。
機電設計，這更加深「I/O設備是慢速元件」的印象。
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9. 效能失衡！
一旦速度極快的CPU存取慢速的I/O設備時，將
出現：
”急驚風遇上慢郎中”
於是CPU必須長時間等待（Wait）I/O設備，兩
個元件一快一慢，卻必須遷就於慢速元件，這
當然是一種效能失衡現象。
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10. 7.2
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11. 單一匯流排
1965年，DEC PDP-8電腦首先
引進Omnibus單一匯流排，來
連接I/O設備，稱為系統匯流
排。
1970年，PDP-11 Unibus更發展出一套商業匯流排架構，讓匯流
1970年，PDP-11 Unibus更發展出一套商業匯流排架構，讓匯流
排的互連觀念受到相當歡迎，並且廣泛地運用在現代電腦上。
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12. 互連技術！
1981年，PC XT/AT引進開放的背板匯流排ISA
（時脈頻率8.33MHz），來連接I/O晶片，ISA匯
流排為早期的個人電腦提供相當穩定的開放環
境，並且成為最受喜愛的匯流排標準。
1990年，PCI匯流排的時脈頻率33MHz，符合全螢
幕多媒體的要求，為了抵抗IBM的MicroChannel
匯流排的威脅，Intel甚至放棄專利權，讓PCI匯
流排走向開放架構。
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13. 於是
現代電腦大都採用多階層匯流排
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14. 14

15. 7.3
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16. I/O設備（週邊裝置）特性
• 可以視為不同類型的記憶裝置
• 許多I/O設備內含機電設備
• 大部分I/O設備的工作速度緩慢
• I/O設備所使用的資料格式與處理器不同
• I/O設備通常獨立存在，與處理器間需有匯流排連接
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17. I/O設備可以分成兩種：
•I/O控制器（又稱設備控制器）
•I/O處理器（又稱I/O通道）
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18. I/O控制器
最早期的I/O設備總是需要CPU的控制。
換言之，CPU事必躬親地指揮所有細節，而且
要一直從旁指導I/O設備許多更細微的控制動
作，一個命令一個動作，這種只能一直聽命行
事的I/O模組，稱為I/O控制器或設備控制器。
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19. I/O處理器
I/O處理器具備智慧，可以自行執行一連串的I/O動
作，降低CPU參與I/O的細節工作與時間。
一般作業系統會在模組內部或者電腦內部記憶體上，
建立一序列的I/O動作，包含：I/O執行命令、讀寫位
址、資料傳輸方式，也就是I/O程式，然後由I/O處理
器自行擷取這些I/O程式，執行I/O程式所指定的命
令，整個過程CPU涉入的範圍變小。
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20. 7.4
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21. I/O模組和外部設備
為了簡化匯流排的連線技術，我們把I/O設備分成：
I/O模組和外部設備。
一般而言，匯流排先連接I/O模組，然後由I/O模組連
接外部設備。
也就是，CPU會藉由I/O模組，連接到各種不同的外部
設備，並且傳遞互相交換的控制、狀態、和資料。
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22. 分工精細的電腦業
I/O模組和外部設備組合在一起，才能形成I/O功能。
以顯示器為例，顯示器包含顯示卡和螢幕，顯示卡就
是I/O模組，螢幕就是外部設備，兩者組合出視訊功
能，缺一不可。
但是購買這些東西，可以分開購買，顯示卡可以選擇
不同的規格，比如：匯流排插槽、3D繪圖晶片、解析
度、視訊記憶體、視訊轉換速率、…等等，螢幕可以
選擇尺寸大小、對比強度、CRT或TFT LCD、…等等。
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23. 7.5
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24. I/O命令
I/O種類繁多，而且各有其特殊的專門功能。
如果，不事先建立一套共用的存取I/O命令，I/O模組
與匯流排的連線接腳數量，將會隨著新I/O設備不斷
地增加而增加，最後終將困擾整個系統。
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25. 發佈I/O命令
CPU會從記憶體擷取I/O指令，並且將這個I/O指令，
轉換成I/O命令，大部分I/O指令和I/O命令之間的關
係，是單純的一對一關係。
只是在發佈I/O命令時，必須明確地加入該I/O模組的
識別位址，以指出命令的對象。
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26. I/O命令型態
•控制命令：啟始I/O模組的基本狀態，指示設備
的動作模式；
•測試命令：測試目前I/O模組和週邊設備的狀
態，像是：開機、備妥、I/O作業、錯誤；
•讀取命令：要求I/O模組讀取設備的資料，放到
I/O緩衝器，然後經由匯流排傳送給CPU；
•寫入命令：CPU將資料傳送給I/O模組，然後再
由I/O模組傳送給週邊設備。
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27. 7.6
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28. 最簡單的策略就是
程式I/O（Programmed I/O，簡稱PIO）
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29. 假設
想從I/O模組讀取資料到記憶體
讓我們分別站在兩個不同的角度，來觀察
執行的動作…
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30. CPU的執行動作
1. CPU會發佈讀取命令給I/O模
CPU會發佈讀取命令給I/O模
組，I/O模組接收到命令後，會有
組，I/O模組接收到命令後，會有
自己的執行動作…
自己的執行動作…
2. CPU使用輪詢方式，不斷地詢
CPU使用輪詢方式，不斷地詢
問I/O模組的狀態，若尚未準備
問I/O模組的狀態，若尚未準備
好，則繼續詢問…
好，則繼續詢問…
3. 等到狀態備妥後，CPU才能讀
等到狀態備妥後，CPU才能讀
取I/O模組的資料
取I/O模組的資料
4. 最後把資料儲存在記憶體
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31. I/O的執行動作
如果這個I/O設備屬於I/O處理
如果這個I/O設備屬於I/O處理
器，則在接收命令後，就會自
行工作，並且跟CPU的執行動作
行工作，並且跟CPU的執行動作
無關。
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32. 效率不彰
CPU的輪詢必須等候I/O完成動作…
問題在於:CPU很快、I/O卻很慢!以CPU的時脈速度來
看，CPU可能要讀取狀態暫存器非常非常多次（高達
數百萬次或更多），而這只為了詢問I/O模組是否備
妥。
顯然，PIO會在這個迴圈上不斷地詢問，耗費大量的
CPU時間，犧牲效能。
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33. PIO輪詢的漫長等待
典型的處理器速度遠快於I/O設備許多，一旦採用
輪詢策略，速度必須依賴I/O設備來決定，此時即
使再快速的處理器，也不會加速整體的執行效能。
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34. 7.7
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35. 中斷結構
具有平行處理的能力，讓CPU和I/O
能夠同時工作，而且能夠各自獨立
地工作…
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36. 平行結構設計
中斷I/O必須分開CPU主程式和ISR中斷程式，並且盡
量維持兩者之間的獨立性。
正常的情況下，CPU正在執行主程式，等到I/O模組發
出中斷訊號後，CPU會暫停主程式，轉而執行ISR中斷
程式，結束後，再回到主程式。
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37. CPU的執行動作
1. CPU對I/O模組發佈I/O讀取命令，
CPU對I/O模組發佈I/O讀取命令，
發佈後，CPU不再理會I/O模組。
發佈後，CPU不再理會I/O模組。
2. CPU繼續執行主程式的其它指令；
CPU繼續執行主程式的其它指令；
3. 若CPU收到中斷要求，暫時擱置目
若CPU收到中斷要求，暫時擱置目
前的主程式（斷點處）。
4. CPU進入ISR中斷程式，處理最後階
CPU進入ISR中斷程式，處理最後階
段的事務（轉移資料），把讀取的資
料寫入記憶體，ISR工作結束。
料寫入記憶體，ISR工作結束。
5. CPU再回到剛才的斷點處，繼續往
CPU再回到剛才的斷點處，繼續往
下執行指令。
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38. I/O的執行動作
I/O模組收到讀取命令後，自動
I/O模組收到讀取命令後，自動
進行一連串的動作…
進行一連串的動作…
等到完成整個讀取動作後，才
能設定狀態暫存器，發出中斷
要求（這個要求代表I/O已經完
要求（這個要求代表I/O已經完
成資料讀取），通知CPU。
成資料讀取），通知CPU。
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39. 7.8
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40. 中斷I/O效率當然比PIO好。
然而，每筆資料不論是由記憶體送到I/O模組，
或是由I/O模組送到記憶體，仍然都要經過CPU的
仲介。
我們可以更進一步地降低CPU時間…，讓CPU不再
仲介I/O模組和記憶體之間的傳輸。
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41. 解決這個問題
通常需要DMA模組，來取代CPU的角色。
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42. DMA模組
軟體和硬體在邏輯上是等
效的，因此DMA硬體是CPU
效的，因此DMA硬體是CPU
的＂分身＂，取代ISR中
的＂分身＂，取代ISR中
斷程式的處理工作。
斷程式的處理工作
DMA模組會把資料傳送到記憶體，不必再經由CPU仲介處理，
DMA模組會把資料傳送到記憶體，不必再經由CPU仲介處理，
CPU可以空下更多的時間，去執行其它的程式，顯然效能會
CPU可以空下更多的時間，去執行其它的程式，顯然效能會
比中斷I/O要好。
比中斷I/O要好。
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43. 結 語
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44. 現代電腦使用單一程式計數器（PC）來記錄程式的
執行狀態，擴大延伸中斷的平行處理觀念。
目前所連接的I/O設備眾多，但是只要使用單一程式
計數器（PC），並且搭配堆疊（stack）記憶體，來
紀錄當時執行環境的必要狀態與資訊，以切換多個
程式之間的執行。
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45. 近年來，電腦系統追求效能設計，包括：CPU、記
憶體、…等都正在快速地成長，相對比較，I/O雖
然也在進步，但速度顯然較慢。
這導致各元件的效能平衡設計愈形困難，在這種情
況下，除非不重視速度要求（或只有單一任務），
才會使用程式I/O策略，否則大部分的結構師會建
議系統採用中斷結構或DMA模組，來補償I/O效能平
衡，以便讓CPU和I/O兩者獨立且平行工作。
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46. 事實上，對於許多非迫切性的I/O資料而言，中斷I/O
和DMA一直是現代電腦系統相當有效率的方法。
這種方式讓電腦的主控權回到CPU身上，不會受到慢
速I/O設備的影響，讓我們可以集中精神研究CPU的效
能表現，而CPU的效能表現也較接近電腦的整體效能
表現。
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47. 第 七 章
課 程 結 束
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