1.7 I/O通訊技術
對於I/O操做有三種可能的技術：可編程I/O、中斷驅動I/O、直接內存存取（DMA）。編程
1.7.1 可編程I/O
使用可編程I/O操做時，I/O模塊執行請求的動做並設置I/O狀態寄存器中相應的位，它並不進一步通知處理器，尤爲是它並不中斷處理器。所以處理器在這行I/O指令後，還要按期檢查I/O模塊的狀態，以肯定I/O操做是否已經完成。數組
若是使用這種技術，處理器負責從內存中提取數據以用於輸出，並在內存中保存數據以用於輸入。I/O軟件應該設計爲由處理器執行直接控制I/O指令的操做，包括檢測設備狀態、發送讀命令或寫命令和傳送數據，所以指令集中包括如下幾類I/O指令：緩存
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控制：用於激活外部設備，並告訴它作什麼。例如，能夠指示磁帶倒退或前移一個記錄。數據結構
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狀態：用於測試與I/O模塊及其外圍設備相關的各類狀態條件。函數
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傳送：用於在存儲器寄存器和外部設備間讀數據或寫數據。性能
圖1.19a給出了使用可編程I/O的一個例子：從外部設備讀取一塊數據到存儲器，每次讀一個字的數據。對讀入的每一個字，處理器必須停留在狀態檢查週期，直到肯定該字已經在I/O模塊的數據寄存器中。這給流程圖說明該技術主要缺點：耗時，處理器老是處於沒有用的繁忙中。測試
1.7.2 中斷驅動I/O
處理器給模塊發送I/O命令，而後繼續作其餘一些有用的工做。當I/O模塊準備好與處理器交換數據時，它將打斷處理器的執行並請求服務。處理器和前面同樣執行數據傳送，而後恢復處理器之前的執行過程。spa
從I/O每塊的角度，對於輸入操做，I/O模塊從處理器中接收一個READ命令，而後開始從相關的外圍設備讀數據。一旦數據被讀入該模塊的數據寄存器，模塊經過控制線給處理器發送一箇中斷信號，而後等待直處處理器請求該數據。當處理器發出這個請求後，模塊吧數據放到數據總線上，而後準備下一次的I/O操做。
從處理器的角度，對於輸入操做，處理器發一個READ命令，而後保存當前程序的上下文，離開當前程序，去作其餘事情。在每一個指令週期的末尾，處理器檢查中斷。當發生來自I/O模塊的中斷時，處理器保存當前正在執行的程序的上下文，開始執行中斷處理程序處理此中斷。操作系統
圖1.19b給出了使用中斷驅動I/O讀數據塊的例子。中斷驅動I/O比可編程I/O更有效，這是由於它消除了沒必要要的等待。可是，數據中的每一個字不論從存儲器到I/O模塊仍是從I/O模塊到存儲器都必需要經過處理器處理，這致使中斷驅動I/O一樣很耗時。設計
1.7.3 直接內存存取
中斷驅動I/O和可編程I/O這兩種方式，都須要處理器主動干預在存儲器和I/O模塊之間的數據傳送，而且任何數據傳送都必須徹底經過處理器。所以它們有兩方面的固有缺陷：
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I/O傳送速度受限於處理器測試設備和提供服務的速度。
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處理器忙於管理I/O傳送的工做，必須執行不少指令以完成I/O傳送
當須要移動大量的數據時，就須要使用直接內存存取（DMA）來提升傳送效率。DMA能夠由系統總線中一個獨立的模塊完成，也能夠併入到I/O模塊中。不論採用哪一種形式，該技術的工做方式：當處理器要讀或寫一塊數據時，它給DMA模塊產生一條命令，發生如下信息：
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是否請求一次讀或寫
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涉及的I/O設備的地址
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開始讀或寫的存儲器單元
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須要讀或寫的字數
以後處理器繼續其餘工做。處理器把這個操做委託給DMA模塊，由該模塊負責處理。DMA直接與內存器交互，傳送整個數據塊，每次傳送一個字。這個過程不須要處理器參與。當傳送完成後，DMA模塊發送一箇中斷信號給處理器。所以只有在開始傳送和傳送結束時處理器纔會參與。（圖1.19c）
附錄1A 兩級存儲器的性能特徵
在本章中，經過使用高速緩存做爲內存和處理器間的緩存器，創建了一個兩級內部存儲器。這個兩級結構經過開發局部性，相對於一級性能獲得了很大的提升。
其餘兩級存儲器方法：虛擬存儲器和磁盤高速緩存（見表1.2）也使用了局部性，而且至少有一部分是由操做系統實現。
局部性
局部性原理聲明存儲器訪問表現出簇聚性。在很長的一段時間中，使用的簇會變化，但在很短的時間內，處理器基本上只與存儲器訪問中的一個固定的簇進行數據傳輸。
局部性原理是頗有效的，緣由以下：
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除了分支和調用指令，程序執行都是順序的，而這兩類指令在全部程序指令中只佔一小部分。所以，大多數狀況下，要取得下一條指令都是緊跟在取到的上一條指令以後的。
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不多會出現很長的接二連三的過程調用序列，繼而是相應的返回序列。相反，程序中過程調用的深度窗口限制在一個很小的範圍內，所以在比較短的時間中，指令的引用侷限在不多的幾個過程當中。
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大多數循環結構都由相對比較少的幾個指令重複若干次組成的。在循環過程當中，計算被限制在程序中一個很小的相鄰部分中。
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在許多程序中，不少計算都涉及處理諸如數組、記錄序列之類的數據結構。在大多數狀況下，對這類數據結構的連續引用是對位置相鄰的數據項進行操做。
空間局部性和時間局部性是有區別的。空間局部性指執行涉及不少簇聚的存儲器單元的趨勢，這也反映了處理器順序訪問指令的傾向，同時，也反映了程序順序訪問數據單元的傾向，如處理數據表。時間局部性指處理器訪問最近使用過的存儲單元的趨勢，例如當執行一個循環，處理器重複執行相同的指令集合。
兩級存儲器的操做
在兩層存儲器結構中也使用了局部性特性。上層存儲器（M1）比下層存儲器（M2）更小、更快、成本更高（每位），M1用於臨時存儲空間較大的M2中的部份內容。當訪問存儲器時，首先視圖訪問M1中的項目，若是成功，就能夠進行快速訪問；若是不成功，則把一塊存儲器單元從M2中複製到M1中，在經過M1進行訪問。因爲局部性，當一個塊取到M1中時，將會有不少對塊中單元的訪問，從而加快整個服務。
爲書名訪問一項的平均時間，不只要考慮兩級存儲器的速度，並且包括能在M1中找到給定引用的機率。爲此有：
其中，T3=(系統)平均訪問時間、T1=M1(如高速緩存、磁盤高速緩存)的訪問時間、T2=M2（如內存、磁盤）的訪問時間、H=命中率（訪問可在M1中找到的次數比）。
圖1.15顯示了平均訪問時間關於命中率的函數。能夠看出，命中率越高，總的平均訪問時間更接近M1,而不是M2.