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I/O控制方式(程序直接控制方式，中断驱动方式，DMA方式，通道控制方式)
文章目录
- 1.程序直接控制方式
- 1.完成一次读/写操作的流程（以读操作为例)
- 2.CPU干预的频率
- 3.数据传送的单位
- 4.数据的流向
- 5.主要缺点和优点
- 2.中断驱动方式
- 1.注意
- 2.CPU千预的频率
- 3.数据传送的单位
- 4.数据的流向
- 5.主要缺点和主要优点
- 3.DMA方式
- 1. 主要特点
- 2.DMA控制器
- 3.CPU干预的频率
- 4.数据传送的单位
- 5.数据的流向
- 6.主要缺点和主要优点
- 4.通道控制方式
- 1.通道进行一次IO的步骤
- 2.CPU千预的频率
- 3.数据传送的单位
- 4.数据的流向
- 5.主要缺点和主要优点
1.程序直接控制方式
1.完成一次读/写操作的流程（以读操作为例)
- CPU向控制器发出读指令。于是设备启动，并且状态寄存器设为1（未就绪)
- 轮询检查控制器的状态(其实就是在不断地执行程序的循环，若状态位一直是1，说明设备还没准备好要输入的数据,于是CPU会不断地轮询)
- 输入设备准备好数据后将数据传给控制器，并报告自身状态
- 控制器将输入的数据放到数据寄存器中,并将状态改为0（己就绪)
- CPU发现设备已就绪，即可将数据寄存器中的内容读入CPU的寄存器中，再把CPU寄存器中的内容放入内存
- 若还要继续读入数据，则CPU继续发出读指令
轮询：
2.CPU干预的频率
很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待l/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
3.数据传送的单位
每次读写一个字。
4.数据的流向
- 读操作（数据输入）: I/O设备→CPU→内存
- 写操作（数据输出）:内存→CPU→>I/O设备每个字的读/写都需要CPU的帮助
5.主要缺点和优点
- 优点:实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”)
- 缺点:
CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。
2.中断驱动方式
引入中断机制。
由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待l/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。
当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。
处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。
接着，CPU恢复等待l/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。
1.注意
①CPU会在每个指令周期的末尾检查中断;
②中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。
可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。
2.CPU千预的频率
每次l/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
3.数据传送的单位
每次读/写一个字.
4.数据的流向
读操作（数据输入） : I/O设备→>CPU→内存
写操作（数据输出）:内存→>CPU→I/O设备
5.主要缺点和主要优点
优点:与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。
CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点:每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。
而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
3.DMA方式
与“中断驱动方式”相比，
DMA方式(Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备。
CPU指明此次要进行的操作（如:读操作），并说明要读入多少数据、数据要存放在内存的什么位置、数据在外部设备上的地址（如:在磁盘上的地址）
控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读/写工作,整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信号.
1. 主要特点
①
数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送;
②数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。
③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU千预。
2.DMA控制器
DR(Data Register，数据寄存器）:暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
MAR (Memory Address Register，内存地址寄存器):在输入时,MAR表示数据应放到内存中的什么位置;输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
DC (Data Counter，数据计数器）:表示剩余要读/写的字节数。
CR (Command Register，命令/状态寄存器)︰用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。
3.CPU干预的频率
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU千预。
4.数据传送的单位
每次读/写一个或多个块(注意:
每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的)
5.数据的流向
（
不再需要经过CPU)
读操作（数据输入） : I/O设备→内存
写操作（数据输出):内存→I/O设备
6.主要缺点和主要优点
优点:数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
缺点:CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。
如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
4.通道控制方式
通道:一种
硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令.
与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存
1.通道进行一次IO的步骤
- CPU向通道发出I/O指令。指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备。之后CPU就切换到其他进程执行了
- 通道执行内存中的通道程序（其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的什么位置等信息)
- 通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后CPU对中断进行处理
2.CPU千预的频率
极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU千预。
3.数据传送的单位
每次读/写一组
数据块
4.数据的流向
（
在通道的控制下进行)
读操作（数据输入) : I/O设备→内存
写操作（数据输出）:内存→I/O设备
5.主要缺点和主要优点
缺点:实现复杂，需要专门的通道硬件支持
优点:CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
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