OS(十八)：设备管理之 I/O控制方式

1、程序I/O方式

　　程序I/O方式，称为忙-等待方式，即在处理机向控制器发出一条I/O指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，然后不断的循环测试busy。

 

　　busy为1时，表示输入机尚未输完一个字，处理机应继续对该标志进行测试，直至busy=0，表明输入机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。

　　该种方式使得CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试，造成对CPU的极大浪费。

2、中断驱动I/O控制方式

　　由于中断机构的引入，对IO设备的控制都采用中断驱动(Interrupt Driven)方式，当某进程要启动某个I/O设备时，由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，立即返回继续执行原来的任务，设备控制器按照该命令要求去控制指定I/O设备，CPU与I/O设备并行操作。

 

　　中断驱动I/O是以字节为单位进行I/O的，每完成一字节的I/O时，控制器便要向CPU请求一次中断。

3、直接存储器访问(DMA) I/O控制方式

3.1、DMA控制方式引入

　　中断驱动I/O方式时的CPU是以字(节)为单位进行干预的，为减少CPU对I/O的干预，引入直接存储器访问方式：

 

　　数据传输的基本单位是数据块

　　传送的数据是从设备直接送入内存

　　仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

　　DMA方式，进一步较少了CPU对I/O的干预，提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。

3.2、DMA控制器的组成

　　DMA控制器由三部分组成：主机与DMA控制器的接口；DMA控制器与块设备的接口；I/O控制逻辑。

 

　　为实现主机与寄存器之间成块数据的直接交换，在DM控制器中设置四类寄存器：

　　命令/状态寄存器(CR)，接收从CPU发来的I/O命令。

　　内存地址寄存器(MAR)，输入时，存放数据从设备传送到内存的起始目标地址；输出时，存放由内存到设备的内存源地址。

　　数据寄存器(DR)，暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。

　　数据计数器(DC)，存放本次CPU要读或写的字(节)数。

3.3、DMA工作过程

　　当CPU要从磁盘读入一个数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令。该命令被送到其中的命令寄存器(CR)中。同时，发型本次要将数据读入的内存起始目标地址，该地址被送入内存地址寄存器(MAR)中，本次要读数据的字(节)数则送入数据计数器(DC)中，还须将磁盘中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制逻辑上。

　　启动DMA控制器进行数据传送，此后，CPU可去处理其他任务，整个数据传送过程由DMA控制器进行控制，当DMA控制器已从磁盘中读入一个字(节)的数据并送入数据寄存器DR后，再挪用一个存储器周期，将该字(节)传送到MAR所指示的内存单元中。

　　对MAR内容进行加减1，若MAR内容不为0，标识传送未完，继续传送下一个字；否则，由DMA控制器发出中断请求。

 

4、I/O通道控制方式

　　I/O通道方式是DMA方式的发展，把对一个数据块的读(或写)为单位的干预减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。

　　通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。

　　通道程序是由一系列通道指令所构成的，通道指令包含如下信息：

操作码	指令所执行的操作
内存地址	字符送入内存和从内存取出时的内存首址
通道程序结束位P	表示通道程序是否结束
计数	本条指令要读(写)数据的字节数
记录结束标志R	R=0表示本通道指令与下一指令所处理的数据是同属于一个记录；R=1表示处理某记录的最后一条指令