程序员需要了解的硬核知识之控制硬件 (3)

CPU 在接受到中断请求后,会把当前正在运行的任务中断,并切换到中断处理程序。中断处理程序的第一步处理,就是把 CPU 所有寄存器的数值保存到内存的栈中。在中断处理程序中完成外围设备的输入和输出后,把栈中保存的数值还原到 CPU 寄存器中,然后再继续进行对主程序的处理。

假如 CPU 寄存器数值还没有还原的话,就会影响到主程序的运行,甚至还有可能会使程序意外停止或发生运行时异常。这是因为主程序在运行过程中,会用到 CPU 寄存器进行处理,这时候如果突然插入其他程序的运行结果,此时 CPU 必然会受到影响。所以,在处理完中断请求后,各个寄存器的值必须要还原。只要寄存器的值保持不变,主程序就可以像没有发生过任何事情一样继续处理。

程序员需要了解的硬核知识之控制硬件

用中断来实现实时处理

中断是指计算机运行过程中,出现某些意外情况需主机干预时,机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序,处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。

在程序的运行过程中,几乎无时无刻都会发生中断,其原因就是为了实时处理外部输入的数据,虽然程序也可以在不会中断的基础上处理外部数据,但是那种情况下,主程序就会频繁的检查外围设备是否会有数据输入。由于外围设备会有很多个,因此有必要按照顺序来调查。按照顺序检查多个外围设备的状态称为 轮询。对于计算机来说,这种采用轮询的方式不是很合理,如果你正在检查是否有鼠标输入,这时候发生了键盘输入该如何处理呢?结果必定会导致文字的实时处理效率。所以即时的中断能够提高程序的运行效率。

上面只是中断的一种好处,下面汇总一下利用中断能够带来的正面影响

提高计算机系统效率。计算机系统中处理机的工作速度远高于外围设备的工作速度。通过中断可以协调它们之间的工作。当外围设备需要与处理机交换信息时,由外围设备向处理机发出中断请求,处理机及时响应并作相应处理。不交换信息时,处理机和外围设备处于各自独立的并行工作状态。

维持系统可靠正常工作。现代计算机中,程序员不能直接干预和操纵机器,必须通过中断系统向操作系统发出请求,由操作系统来实现人为干预。主存储器中往往有多道程序和各自的存储空间。在程序运行过程中,如出现越界访问,有可能引起程序混乱或相互破坏信息。为避免这类事件的发生,由存储管理部件进行监测,一旦发生越界访问,向处理机发出中断请求,处理机立即采取保护措施。

满足实时处理要求。在实时系统中,各种监测和控制装置随机地向处理机发出中断请求,处理机随时响应并进行处理。

提供故障现场处理手段。处理机中设有各种故障检测和错误诊断的部件,一旦发现故障或错误,立即发出中断请求,进行故障现场记录和隔离,为进一步处理提供必要的依据。

利用 DMA 实现短时间内大量数据传输

上面我们介绍了 I/O 处理和中断的关系,下面我们来介绍一下另外一个机制,这个机制就是 DMA(Direct Memory Access)。DMA 是指在不通过 CPU 的情况下,外围设备直接和主存进行数据传输。磁盘等硬件设备都用到了 DMA 机制,通过 DMA,大量数据可以在短时间内实现传输,之所以这么快,是因为 CPU 作为中介的时间被节省了,下面是 DMA 的传输过程

程序员需要了解的硬核知识之控制硬件

I/O 端口号、IRQ、DMA 通道可以说是识别外围设备的3点组合。不过,IRQ、DMA 通道并不是所有外围设备都具备的。计算机主机通过软件控制硬件时所需要的信息的最低限,是外围设备的 I/O 端口号。IRQ 只对需要中断处理的外围设备来说是必须的,DMA 通道则只对需要 DMA 机制的外围设备来说是必须的。假如多个外围设备都设定成相同的端口号、IRQ 和 DMA 通道的话,计算机就无法正常工作,会提示 设备冲突。

文字和图片的显示机制

你知道文字和图片是如何显示出来的吗?事实上,如果用一句话来简单的概括一下该机制,那就是显示器中显示的信息一直存储在某内存中。该内存称为VRAM(Video RAM)。在程序中,只要往 VRAM 中写入数据,该数据就会在显示器中显示出来。实现该功能的程序,是由操作系统或者 BIOS 提供,并借助中断来进行处理。

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