UART中断和DMA中断的区别有哪些-创新互联
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1、程序循环检测方式
程序循环检测方式的基本思路是:在程序(一般是设备驱动程序)当中,通过不断地检测I/O设备的当前状态,来控制一个I/O操作的完成。具体来说,在进行I/O操作之前,要循环地去检测该设备是否已经就绪。如果是,就向控制器发出一条命令,启动这一次的I/O操作。然后,在这个操作的进行过程中,也要循环地去检测设备的当前状态,看它是否已经完成。总之,在I/O操作的整个过程中,控制I/O设备的所有工作都是由CPU来完成的。这种方式也称为是繁忙等待方式或轮询方式。它的缺点主要是:在进行一个I/O操作的时候,要一直占用着CPU,这样就会浪费CPU的时间。
假设I/O地址采用的是内存映像编址方式,现在需要在打印机上打印一个字符串“ABCDEFGH”。对于操作系统来说,要完成这个任务,其实很简单,只要把这八个字符一个接一个地送到打印机设备的I/O端口地址就可以了。如图(a)所示,这八个字符被保存在系统内核的一个缓冲区当中,并用指针p来指向它们。status_ reg 这个内存单元对应于打印机控制器里面的状态寄存器, data register这个内存单元对应于它的数据寄存器,现在要做的事情,就是把这八个字符一个接一个地放到数据寄存器当中。
它的基本思路是:逐个去打印每一个字符。在打印一个字符之前,首先用一个while语句来检测打印机的当前状态,看它是否已经就绪,如果还没有就绪,就在这里循环等待;如果已经就绪,就把当前的字符送入到打印机的数据寄存器当中。在本例中,由于采用了内存映像的编址方式,因此,在程序员眼中,状态寄存器和数据寄存器都被看成是普通的内存单元,对它们的访问也是普通的赋值操作,不需要专门的I/O指令。但是这个赋值操作的功能与普通的赋值操作不同,它相当于是给打印机发出了一个命令,让它去打印一个字符。另外,每次打印完-一个字符后,都要重新判断设备是否就绪,因为相对于CPU来说,打印机是一个慢速设备,它在执行打印命令时,不可能像CPU那么快,而是需要一定的时间来完成。因此,当CPU把一个字符交给它之后,必须循环等待一段时间, 才能去处理下一一个字符。
2、中断驱动方式
循环检测的控制方式,需要占用大量的CPU时间。假设打印机的打印速度为100字符/秒,在循环检测方式下,当一个字符被写入到打印机的数据寄存器后,CPU要等待10ms才能把下一个字符写进去,而这10ms的时间,就在循环等待中被白白浪费掉了。为了解决这个问题,一种办法就是让CPU在这10ms的时间内,先去运行其他的任务,然后等打印机处理完上一个字符后,CPU再接着处理下一个字符。这种方法被称为是中断驱动的控制方式。它的基本思路是:当一个用户任务需要进行I/O操作时,会去调用相应的系统函数,由这个函数来发起I/O操作,并将当前任务阻塞起来,然后调度其他的任务去使用CPU。当所需的I/O操作完成时,相应的设备就会向CPU发出一个中断,系统在中断处理程序当中,如果发现还有数据需要处理,就再次启动I/O 操作。在中断驱动的控制方式下,数据的每一次读写还是通过CPU来完成,只不过当I/O设备在进行数据处理时,CPU不必在那里等待,而是可以去执行其他任务。
仍以打印字符的问题为例。如下图所示,在中断驱动方式下,对于用户程序来说,它所做的事情可能是:把需要打印的字符串放到一个缓冲区buffer中,然后调用一个系统调用函数print。在print 系统调用中,首先把用户缓冲区中的字符串复制到系统内核的字符数组p当中,然后打开中断。接下来是一个循环检测语句,判断打印机的当前状态是否就绪,当打印机就绪后,就把第一个字符放到数据寄存器里面去打印。接下来,未等该字符打印完,就去调用系统的调度器,选择另一个就绪任务去运行,而当前的这个任务,就会被阻塞起来。
当打印机完成一个字符后,将向CPU发出一个中断。在中断处理程序当中,首先判断一下,如果所有的字符都已打印完,那么就去阻塞队列中,把用户任务唤醒,使它处于就绪状态;如果还有字符需要打印,就直接把下一个字符复制到打印机的数据寄存器当中,启动打印操作,而不需要再去循环地判断打印机是否就绪。接下来是一些后继处理,先向中断控制器发出一个确认信号,然后结束中断处理程序,返回到被中断的那个任务。
3、直接内存访问方式
在中断驱动的控制方式下,每一次数据读写还是通过CPU来完成,而且每一次处理的数据量很少,如1个字节,所以中断出现的频率就很高。而中断处理需要额外的系统开销,所以也会浪费一些CPU时间。因此人们又提出了一种新的解决办法,也就是直接内存访问(Direct Memory Access, DMA)的控制方式。它的基本思路是:让DMA控制器来代替CPU,完成I/O设备与内存之间的数据传送,从而空出更多的CPU时间,去运行其他的任务。
仍以打印字符的问题为例。如下图所示,在DMA控制方式下,用户程序所做的事情是完全相同的,即把字符串复制到一个缓冲区buffer 当中,然后调用系统函数print。在print函数当中,首先也是把buffer 当中的字符串复制到系统内核的缓冲区p当中,然后对DMA控制器进行编程,设置它的各个寄存器的内容,包括内存起始地址、需要打印的字符个数、数据传输的方向等。之后,print 函数就完成了任务,所以就调用系统的调度程序,
选择另一个就绪任务去运行,而当前的这个任务就会被阻塞起来。接下来,当CPU正在执行这个新任务的同时,DMA控制器会与设备控制器进行交互,把需要打印的字符,一个接一个地送到打印机控制器当中。在所有的字符都打印完之后,就向CPU发出一个中断,表明这一次的I/O操作已经全部完成了。因此,在中断处理程序里面,已经没有什么实质性的工作,先是向中断控制器发出一个确认信号,然后唤醒刚才被阻塞的任务。
采用DMA控制方式,较大的优点是减少了中断的次数。原本每打印一个字符,都要产生一次中断,而现在当所有的字符都打印完后,才会产生一个中断,这样就减少了中断处理的开销。
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