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約 32 分鐘 · 2 張概念卡 · 2 題對應考古題

I/O 與效能：從 polling、interrupt 到 DMA

本頁為依教材與考古題整理的原創摘要；考古題答案經技術覆核，但不是官方答案。

第一次接觸也沒關係

這堂先懂這些詞

先記住白話意思，不必急著背英文。看到正文時，再把正式名稱接回來。

緩衝

也會看到：buffer、buffering、I/O buffer

先把速度不一致的資料暫放一區，再分批處理或傳送。

生活例子：
像外送員先把多張訂單集中，再一次送往同一區域。
別搞混：
buffer 重點是平滑資料流；cache 重點是重複使用以加速。

直接記憶體存取

也會看到：DMA、Direct Memory Access

讓裝置能成批搬資料到記憶體，CPU 不必逐筆親自搬運。

生活例子：
像請物流車整批送貨，主管只負責下單與收完成通知。
別搞混：
DMA 不是完全不用 CPU；CPU 仍要設定傳輸並處理完成事件。

中斷

也會看到：interrupt、IRQ

裝置主動通知 CPU 有事件，使 CPU 暫停原工作並先處理該事件。

生活例子：
像店員工作時聽到門鈴，先去接待新客再回來繼續。
別搞混：
中斷不是把程式永遠停止，而是可保存現場後再恢復。

延遲與吞吐量

也會看到：latency、throughput、bandwidth、延遲、吞吐量

延遲是單次等多久，吞吐量是單位時間能處理多少資料。

生活例子：
水龍頭打開多久出水像延遲，每分鐘流多少水像吞吐量。
別搞混：
高頻寬不保證低延遲，兩項指標不能互相代替。

輪詢與記憶體映射 I/O

也會看到：polling、programmed I/O、memory-mapped I/O、ISR

Polling 讓 CPU 反覆查裝置狀態；memory-mapped I/O 則用類似記憶體位址的方式存取裝置暫存器。

生活例子：
輪詢像不停問外送到了沒；中斷則像外送員到門口再按鈴通知。
別搞混：
Memory-mapped I/O 的位址指向裝置控制介面，不是一般 RAM 資料。

比較 programmed I/O、interrupt-driven I/O 與 DMA 的 CPU 介入程度，連結 memory-mapped I/O、interrupt service routine、latency、throughput 與顯示器解析度。

先抓住這幾件事

  • 區分 polling、interrupt-driven I/O 與 DMA
  • 說明 memory-mapped I/O 與 ISR 流程
  • 區分 latency 與 throughput
  • 區分 pixel resolution 與 printer dpi

先想像這個場景

倉庫出貨中心

值班員可以不斷詢問每條輸送帶有沒有貨，也可讓輸送帶有貨時按鈴；大批貨物還可由搬運機直接送到儲位。

先別急著往下看，花十秒想一想：

搬一大批連續資料時，讓 CPU 逐字搬運與讓 DMA controller 處理，哪個更能讓 CPU 同時做其他事？

把故事換成電腦語言

生活中的角色對應到技術概念
值班員不斷詢問輸送帶Polling/programmed I/O
有貨時按鈴通知Interrupt-driven I/O
按鈴後執行指定處理流程Interrupt service routine
搬運機在設備與儲位間搬大批貨DMA block transfer
單箱等待時間與每小時出貨箱數Latency 與 throughput

題目出現這些字，先想到

  • Polling 是 CPU 主動查詢；interrupt 是 device 發訊號。
  • Vectored interrupt 可提供向量導向 ISR；polled interrupt 要辨識來源。
  • DMA 降低 CPU 逐字搬運參與，不是取代 memory。
  • Resolution 是像素排列；dpi 常描述列印點密度。

1.三種 I/O 控制方式

CPU 和 I/O 裝置（鍵盤、磁碟、網路卡）之間的通訊有三種主要方式，效率依序提升： 【Programmed I/O（程式控制 I/O）/ Polling】 CPU 不斷檢查 I/O 裝置的狀態暫存器（status register），直到裝置準備好。這叫做 busy waiting — CPU 在一個迴圈中反覆詢問「你好了嗎？」，什麼都不做直到得到肯定回答。 優點：實作簡單。 缺點：CPU 完全被佔用等待，浪費大量 CPU 時間。在等待磁碟讀取的毫秒級時間裡，CPU 可以執行數百萬條指令。 【Interrupt-driven I/O（中斷驅動 I/O）】 CPU 發出 I/O 指令後去做其他事情。當 I/O 裝置完成時，發出硬體 interrupt（中斷）通知 CPU。CPU 暫停當前工作，執行 interrupt handler（中斷處理程式）處理 I/O 結果，然後回到原本的工作。 優點：CPU 不需要 busy waiting，可以做有用的計算。 缺點：每個 byte 或 word 的傳輸仍需要 CPU 介入。大量資料傳輸（如讀取整個磁碟 block）時，CPU 仍會被頻繁中斷。 【DMA（Direct Memory Access）】 DMA controller 接管資料傳輸工作。CPU 只需要告訴 DMA controller「從磁碟讀取 N bytes 到記憶體位址 X」，然後去做其他事。DMA controller 直接在 I/O 裝置和記憶體之間傳輸資料，不經過 CPU。傳輸完成時才用 interrupt 通知 CPU。 優點：CPU 幾乎完全解放，適合大量資料傳輸。 缺點：需要額外的 DMA controller 硬體。DMA 和 CPU 可能在 bus 上競爭（cycle stealing）。 【三者比較】 | | Polling | Interrupt | DMA | | CPU 佔用 | 100% busy wait | 每次中斷短暫處理 | 只在開始和結束 | | 適用場景 | 極短 I/O | 一般 I/O | 大量資料傳輸 | | 硬體需求 | 最簡單 | 需要中斷控制器 | 需要 DMA controller | 【考試連結】(1) 三種 I/O 方式的比較是經典考題。(2) DMA 是直接在「裝置和記憶體」之間傳輸，不經過 CPU 的 register。(3) Interrupt 讓 CPU 可以做其他事，但每次傳輸仍需 CPU 介入；DMA 進一步把「傳輸」這件事也交出去。

  • Programmed I/O 常需 CPU 處理資料搬移
  • Interrupt 有 context-switch 成本
  • DMA controller 需與 CPU 協調 bus/memory

2.位址與中斷流程

【I/O 定址方式】CPU 如何和 I/O 裝置溝通？兩種方式： • Memory-mapped I/O：I/O 裝置的暫存器被映射到記憶體位址空間的某個區域。CPU 用和存取記憶體相同的指令（load/store）來存取 I/O 裝置。例如把 video memory 映射到特定的記憶體位址，寫入該位址就能在螢幕上顯示。 優點：不需要特殊的 I/O 指令。 缺點：佔用記憶體位址空間。 • Port-mapped I/O（Isolated I/O）：I/O 裝置有獨立的位址空間（port addresses），CPU 用特殊的 I/O 指令（如 x86 的 IN/OUT）存取。 優點：不佔用記憶體位址空間。 缺點：需要特殊的指令。 【Interrupt 完整流程】 (1) I/O 裝置完成工作，透過 interrupt request line 發送 interrupt signal 給 CPU。 (2) CPU 完成當前指令後檢查 interrupt line。 (3) CPU 保存當前的 context（PC、registers 等）到 stack。 (4) CPU 透過 interrupt vector table 找到對應的 interrupt handler 位址。每種 interrupt 有一個 vector number，vector table 是「vector number → handler 位址」的對照表。 (5) CPU 跳轉到 interrupt handler 執行。Handler 處理 I/O 結果（如把資料從 buffer 複製到 process 的記憶體）。 (6) Handler 完成後，CPU 從 stack 恢復之前的 context，繼續執行原本的指令。 【Interrupt priority】多個裝置同時中斷時，需要 priority 決定先處理哪個。方法：Programmable Interrupt Controller（PIC）或 APIC，根據設定的 priority level 排隊。高優先權的 interrupt 可以打斷低優先權的 handler（nested interrupt）。 【考試連結】(1) Memory-mapped I/O vs port-mapped I/O 的差異。(2) Interrupt 的流程步驟。(3) Interrupt vector table 的角色。(4) Interrupt 和 exception/trap 的差異 — interrupt 來自外部（硬體），exception 來自 CPU 內部（如除以零、page fault）。

  • 32-bit byte address 在簡化模型下可定位 2^32 bytes
  • Device register 不等於 CPU general-purpose register

3.效能必須先定義指標

衡量電腦系統效能不能只看一個數字（如 CPU 頻率），必須根據使用場景選擇適當的指標： 【CPU 效能指標】 • Clock frequency（時脈頻率）：每秒 clock cycles 數。GHz 等級。但高頻率不等於高效能（要看 CPI）。 • CPI（Cycles Per Instruction）：平均每條指令需要的 clock cycles。不同指令的 CPI 不同（add 可能 1 cycle，memory access 可能 100+ cycles）。 • MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒百萬條指令。問題：不同 ISA 的指令功能不同，MIPS 無法跨架構比較。 • FLOPS（Floating Point Operations Per Second）：每秒浮點運算次數。用於科學計算和 GPU 效能衡量。 CPU 執行時間 = 指令數 × CPI × Clock cycle time = 指令數 × CPI / Clock frequency 【記憶體效能】 • Bandwidth（頻寬）：單位時間傳輸的資料量（GB/s）。 • Latency（延遲）：從發出 request 到收到第一個 byte 的時間。 • AMAT（Average Memory Access Time）= Hit time + Miss rate × Miss penalty。 【I/O 效能】 • IOPS（Input/Output Operations Per Second）：每秒 I/O 操作次數。SSD 通常比 HDD 高 100 倍以上。 • Throughput（吞吐量）：每秒傳輸的資料量。 • Seek time（尋道時間，HDD）：磁碟臂移動到正確 track 的時間。 【系統整體效能】 • Amdahl's law：限制因素分析。Speedup = 1 / (p + (1-p)/n)。 • Benchmark：用標準化的程式（如 SPEC、Geekbench）在不同系統上運行，比較得分。比單一指標更有意義。 【考試連結】(1) 不能只用 clock frequency 比較不同 CPU 的效能。(2) CPU time 公式和 AMAT 公式是常考計算題。(3) MIPS 的跨架構比較陷阱。(4) 考古題常混用 MB（megabyte）和 Mb（megabit），注意 1 byte = 8 bits。

  • Batching 可提高 throughput 卻增加個別等待
  • Buffering 可吸收短期速率差

4.顯示與列印指標不可混用

螢幕和印表機使用不同的解析度和品質指標，考古題常考你能否區分： 【螢幕（Display）指標】 • Resolution（解析度）：水平 × 垂直的像素數。例如 1920×1080（Full HD）、3840×2160（4K UHD）。像素越多，畫面越清晰。 • PPI（Pixels Per Inch）：每英寸的像素密度。同樣的 resolution 在較小的螢幕上 PPI 更高，顯示更細緻。例如 27 吋 1080p 約 82 PPI，5.5 吋 1080p 約 401 PPI。 • Refresh rate（更新率）：螢幕每秒重繪畫面的次數。60 Hz 表示每秒更新 60 次。高更新率（120/144/240 Hz）讓動態畫面更流暢，重要於遊戲和影片。 • Response time（反應時間）：像素從一個顏色變成另一個顏色的時間（ms）。越短越好，減少動態模糊。 【印表機（Printer）指標】 • DPI（Dots Per Inch）：每英寸的墨點數。DPI 越高，列印品質越好。一般文件 300 DPI 足夠，照片列印至少 600 DPI。 • PPM（Pages Per Minute）：每分鐘列印頁數。衡量列印速度。 【PPI vs DPI】 • PPI 用於螢幕（pixels per inch）。 • DPI 用於列印（dots per inch）。 雖然日常口語常混用，但技術上它們是不同的概念：一個 screen pixel 可能由多個 sub-pixel（RGB）組成；一個 print dot 通常是單色墨點。 【色彩深度（Color Depth）】每個 pixel 用多少 bits 表示顏色。 • 8-bit：256 色。 • 16-bit：65,536 色（High Color）。 • 24-bit：約 16.7 百萬色（True Color，每個 RGB channel 8 bits）。 • 32-bit：24-bit + 8-bit alpha channel（透明度）。 影像檔案大小估算：Width × Height × Color depth / 8 = bytes（未壓縮）。 例如：1920×1080 × 24 bits / 8 = 6,220,800 bytes ≈ 5.93 MB。 【考試連結】(1) PPI 和 DPI 的差異。(2) 影像檔案大小計算。(3) Resolution 和 refresh rate 是不同的指標（前者是空間解析度，後者是時間解析度）。

  • Pixel 是顯示影像的離散 picture element
  • Dpi 常描述印表機輸出點密度
  • 解析度數字不能單獨決定觀看品質

一起拆題目

範例 1：鍵盤偶爾有輸入，CPU 還有許多工作。Polling 與 interrupt 何者較合適？

  1. 輸入事件不連續。
  2. Polling 會重複查無事件狀態。
  3. Interrupt 讓 CPU 平時處理其他工作。

所以答案是：通常 interrupt-driven I/O 較適合此種低頻事件。

範例 2：輸送 1 MiB 資料時為何考慮 DMA？

  1. 資料為大批連續 block。
  2. CPU 逐字搬移會佔用許多指令。
  3. DMA 完成後可再通知 CPU。

所以答案是：DMA 可降低 CPU 搬移參與，但仍有設定與總線協調成本。

這裡最容易選錯

  • 說 interrupt 永遠沒有成本
  • 說 DMA 時 CPU 完全不參與
  • 把 vectored 與 polled interrupt 對調
  • 把 latency 與 throughput 當同一指標

換你快速判斷

先在心中作答，再展開答案。答不出來時，回頭找本課的對照關係。

1Polling 與 interrupt-driven I/O 的主動方是誰？

Polling 由 CPU 主動反覆查詢；interrupt 由 device 發訊號通知 CPU。

Interrupt 仍有儲存狀態與執行 ISR 的成本。

2DMA 為何適合 block transfer？

DMA controller 可在 device 與 memory 間搬運大批資料，降低 CPU 逐字參與。

CPU 仍負責設定並可在完成時處理 interrupt。

最後用考古題驗證

本課連結的題目都已通過可重現的技術覆核，可逐題練習與判分。

開始本課考古題練習

參考來源