02. I/O 運作方式, Interrupt 介紹及 Hardware Resource Protection

I/O 運作方式

詢問式 I/O (Polling I/O)

• Define: 又叫 Busy-waiting I/O 或 Programmed I/O，Steps 如下:
  1. 執行中的 Process 對 OS 發出 I/O-request，希望 OS 提供某種 I/O 服務

     $^{ex.}$ Disk read a file.

  2. OS 收到請求後，(可能)會先暫停(block)該 Process，即此 Process 會放掉 CPU，置於 Waiting Queue 等待 I/O-completed
  3. OS(or kernel) 中的 I/O-Subsystem 會處理此請求

     $^{ex.}$ I/O-Subsystem 會檢查 Disk cache 是否命中，詳見「09. Disk Management」

     • 命中: 從 Disk cache 取出 file 資料，不需執行 real I/O-operation
     • 失誤: 需執行 real I/O-operation

  4. I/O-Subsystem 會 pass 此請求給裝置驅動程式(Device Driver)

     device independent

  5. Device Driver 會依此請求，設定相關 I/O-commands 到 I/O-Device Controller(硬體)
  6. I/O-Device Controller 會指揮 I/O-Device 執行 real I/O-operation
  7. 此時，CPU 可能 idle，OS 可能會將 CPU 分派給其他 Process 使用
  8. CPU 會不斷地去 polling I/O-Device Controller 上相關 registers 之值，確定 real I/O-operation completed or not, or 有無 error

• 缺點: CPU 並未將全部的時間用於執行其他 Process 上，而是耗費大量時間於 polling I/O-Device Controller $\therefore$ CPU utilization $\downarrow$，且 Process Throughput 亦 $\downarrow$

中斷式 I/O (Interrupted I/O)

• Steps 如下:
  1. 同Polling I/O
  2. 同Polling I/O
  3. 同Polling I/O
  4. 同Polling I/O
  5. 同Polling I/O
  6. 同Polling I/O
  7. 同Polling I/O
  8. 當 real I/O operation 完成時，I/O-Device Controller 會發出一個 "I/O-completed Interrupt" 通知 OS
  9. OS 收到通知後，(可能)會先暫停目前執行中的 Process，保存其狀態

     $^{ex.} P_B$ execution $\rightarrow$ ready state.

  10. OS 會依據 Interrupt ID 查詢中斷向量(Interrupt Vector)表，找出對應的中斷服務處理程式(Interrupt Service Routine, ISR)之位址
  11. 跳至 ISR 位址，ISR 執行

      $^{ex.}$ 將 file 的資料從 I/O-Device Controller 之 Buffer registers 搬到 Memory 中

  12. ISR 完成，控制權交回 kernel I/O-Subsystem，通知 waiting Process 其 I/O-completed 及結果
  13. OS 恢復中斷之前的 Process 之執行，或交由 CPU Scheduler 決定下一個要執行之 Process

      $^{ex.} P_B$ ready state $\rightarrow$ execution.

• 優點: CPU 無需花費時間於 polling I/O-Device Controller，而是專心於 Process 之執行上 $\therefore$ CPU utilization $\uparrow$，且 Process Throughput 亦 $\uparrow$，系統效能因而提升
• 缺點:
  • Interrupt 之處理(Steps 9. ~ 12.)仍須耗費 CPU Time，此段時間 User Process 無法執行

    若 real I/O operation 之時間很短(< Interrupt 處理時間)，則使用 Polling I/O 反而效能較好

  • 若 Interrupt 發生頻率高，則 CPU utilization $\downarrow$ ($\because$ CPU Time 幾乎都花在Interrupt 之處理上)
  • CPU 仍須耗費時間參與 I/O-Device Controller 傳輸資料至 Memory

    以上兩點將為下方的 Direct Memory Access (DMA) 鋪路

Direct Memory Access (DMA)