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39-IO控制方式

I/O控制方式

需要关注的问题
1. 完成一次读/写操作的流程
2. CPU干预的频率
3. 数据传送的单位
请添加图片描述

程序直接控制方式

完成一次读/写操作的流程(keyword:轮询)
1. CPU向控制器发出读指令,于是设备启动,并且将状态寄存器设置为1(未就绪)
2. CPU轮询检查控制器的状态(其实就是不断地执行程序的循环,如果状态为一直是1,说明设备还没准备好要输入数据,于是CPU会不断的轮询)
3. 输入设备准备好数据并传给控制器,并报告自身状态
4. 控制器将输入的数据放到数据寄存器中,并将状态改为0(已就绪)
5. CPU发现设备已经就绪,即可将数据寄存器中的内存读入CPU的寄存器中,再把CPU寄存器中的内存放入内存。
6. 若还要继续读入数据,则CPU继续发出读指令
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I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
数据传送的单位
每次读/写一个字
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的曾帮助
优缺点
1.实现简单,在读/写指令之后,加上循环检查的一系列指令即可
2.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

中断驱动方式

keyword:中断
引入了中断机制,由于I/O设备的速度很慢,因此CPU发出读/写命令后，可将等待I/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I/O的进程的运行环境，然后再继续执行。
注意

  1. CPU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{这个过程需要一定的时间开销,可见,如果中断发生的频率太高,也会降低系统的性能}
    CPU干预的频率
    每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU的介入
    等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行
    数据传送的单位
    每次读/写一个字
    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
    优缺点
    1.CPU不再需要不断的轮询,CPU和I/O设备可以轮询的并行工作,CPU的利用率得到明显提升
    2.每个字再I/O设备与内存之间的传输都需要经过CPU,而频繁的中断会消耗过多的CPU时间

DMA方式

DMA(Direct Memory Access 直接存储器存取)。主要用于块设备的(I/O控制)
改进地方

  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。不再需要CPU
  3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时,才需要CPU的干预
    请添加图片描述

DMA控制器

  1. 主机-控制器接口
    1. DR(Data Register 数据寄存器): 暂存从设备到内存,或者从内存到设备的数据
    2. MAR(Memory Address Regsiter 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,输出时表示MAR要输出的数据存放在内存中的什么位置。
    3. DC(Data Counter 数据计数器):表示剩余要读/写的字节数
    4. CR(Command Register 命令/状态寄存器):用于存放CPU发来的I/O命令,或者设备的状态信息
  2. I/O控制逻辑
  3. 块设备-控制器接口
    CPU的干预频率
    仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时,才需要CPU的干预
    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,且这些块在读入内存中也必须是连续的)
    数据的流向
    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
    优缺点
  4. 数据传送以块为方式,CPU介入频率进一步降低,数据的传输不再需要事先经过CPU再写入内存,数据传输效率进一步加快。CPU和I/O设备的并行性得到提升
  5. 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道不同的内存区域时,CPU要分别发出多条I/O指令,进行多次中断处理才能完成]

通道控制方式

通道:一种硬件,可以理解为弱鸡版的CPU

  1. CPU向通道发出I/O指令,指明通道程序在内存中的位置,并且要操作的是哪个I/O设备。之后CPU就切换到其他进程执行了
  2. 通道执行内存中的通道程序(其中指明了要读/写入多少数据,应该放在内存中的什么位置等这些信息)
  3. 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。
    特点
    1.与CPU相比,通道可以执行的指令单一,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。
    完成一次读/写操作的流程请添加图片描述
    CPU干预的频率
  4. 极低,通道会根据CPU的指示执行相应的程序,只有一组数据块的读/写完成后,才需要发出中断处理信号,请求CPU的干预。
    数据传送单位
    每次读写一组数据块
    数据的流向(在通道的控制下运行)
    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
    优缺点
  5. 实现复杂,需要专门的通道硬件支持
  6. CPU、通道,I/O设备可并行工作,资源利用率高请添加图片描述
posted @ 2023-02-06 09:31  nliuc  阅读(129)  评论(0)  编辑  收藏  举报