IO系统的控制方式
概述
输入输出（I/O）系统作为计算机重要组成部分，其重要性也不言而喻。在面试中我们也常常遇到关于该部分的的面试题，下边让我一起从系统结构角度来学习一下 I/O系统。
I/O 的组成与功能
要学习 I/O 系统，我们首先要知道什么是 I/O 系统，首先我们给出 I/O 系统的学术定义，
概念 I/O 系统，英文全称为“Input output system”，中文全称为“输入输出系统”，包括 I/O 设备，设备控制器及 I/O 有关软硬件，是计算机系统的重要组成部分。在计算机系统中，通常把处理器和主存储器之外的部分称为输入输出系统。
学术定义比较枯燥，我们举一个简单例子来帮助大家理解。以打印机为例，打印机设备、连接线、驱动程序等整体便可以算作一个 I/O系统。
I/O系统 的主要功能是：对指定外设进行 I/O 操作，同时完成许多其他的控制。包括：外设编址，数据通路的建立，向主机提供外设的状态信息等。
I/O 系统的控制方式
为了有效地实现物理 I/O 操作，必须通过硬件和软件技术，对 CPU 和 I/O 设备的职能进行合理的分工，以调节系统性能和硬件成本之间的矛盾。按照 I/O 控制器功能的强弱以及和 CPU 之间联系方式的不同，可以把 I/O 设备的控制方式分为五类：
- 程序控制
- 中断方式
- DMA 方式
- CH（通道）方式
- PPU 方式
下边我们分五个小专题来对这五种方式来进行讲解。
程序控制方式
首先，我们能想到的，当然也是最容易的控制方式毫无疑问肯定是程序控制方式。程序控制方式由用户进程直接控制主存或 CPU 和外围设备之间的信息传送。直接程序控制方式又称为询问方式，或忙/等待方式。通过 I/O 指令或询问指令测试 I/O 设备的忙/闲标志位，决定主存与外围设备之间是否交换一个字符或一个字。其整个过程的时序图如下所示：
程序在执行到 IO 操作时，会以一定周期查询 IO 设备的状态标志位，如果处于”忙状态“程序会等待一个周期后，再次进行查询，直到 IO 设备变为“闲状态”。整个过程的流程图如下所示：
直接程序控制方式虽然简单，不需要多少硬件的支持，但由于高速的 CPU 和低速的 I/O 设备之间的速度上不匹配，因此，CPU 与外围设备只能串行工作，使 CPU 的绝大部分时间都处于等待是否完成 I/O 操作的循环测试中，造成 CPU 的极大浪费，外围设备也不能得到合理的使用，整个系统的效率很低。因此，这种 I/O 控制方式只适合于 CPU 执行速度较慢，且外围设备较少的系统。
中断方式
为了减少程序直接控制方式下 CPU 的等待时间以及提高系统的并行程度，系统引入了中断机制。中断机制引入后，在需要 I/O 服务时才中断 CPU 的现行工作，转去执行 I/O 服务。在 I/O 设备输入每个数据的过程中，由于无需 CPU 的干预，一定程度上实现了 CPU 与 I/O 设备的并行工作。仅当输入或输出完一个数据时，才需 CPU 花费极短的时间做中断处理。
虽然说中断方式在一定程度上，提高了 CPU 的利用率，由于 I/O 操作直接由 CPU 控制，每传送一个字符或一个字，都要发生一次中断，仍然占用了大量的 CPU 处理时间。
我们可以看到，上边两种方式本质上还是以 CPU 为中心，所有数据的 IO 操作都需要 CPU 来控制，CPU 的利用率仍然不是很高，为了进一步提高 CPU 利用率，尽量多的让 CPU 专注于运算工作，减少 IO 任务对 CPU 的干扰，人们又提出了下边三种方式。
DMA 方式
DMA（Direct Memory Access）方式，或者说直接存储器访问控制方式，该种方式下，在 DMA 控制器的控制下，采用窃取或挪用总线控制权，在设备和主存之间开辟直接数据交换通道，成批地交换数据，而不必让 CPU 干预。
DMA方式 直接依靠硬件在主存与 I/O 设备间进行直接的数据传递，在传递期不需 CPU 干预。但是注意，虽然好多 IO 操作由 DMA 控制器完成，但是由于 DMA 方式没有自己的指令集，IO 指令的编码译码工作仍然需要由 CPU 参与。
它具有如下特点：
- 对于高速外设可在很大程度上解放了 CPU(数据传送时，无须 CPU 干预）
- 接口电路复杂
- 仅属于初步解放 CPU
- 交换数据时灵活性差。
通道（CH）方式
通道，独立于 CPU 的专门负责输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。有自己的通道指令，这些指令由 CPU 启动，并在操作结束时向 CPU 发出中断信号。
通道控制方式，实现了 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作，从而更加有效地提高整个系统的资源利用率。例如，当 CPU 要完成一组相关的读（或写）操作时，只需要向 I/O 通道发出一条 I/O 指令，指出其所要执行的通道程序的首址和要访问的 I/O 设备，通道接收到该指令后，通过执行通道程序便可完成 CPU 指定的 I/O 任务。可见，通道只是在 I/O 操作的起始和结束时向 CPU 发出 I/O 中断申请，相对于之前的控制方式进一步减少了 CPU 的干预程度。
但是通道方式也有自己的不足，它虽然有自己的指令系统，但是通道指令功能简单，使用面窄，与 CPU 共用一个主存，还不是独立的 I/O 处理机。
外围处理机方式（PPU）
用一个功能较弱的计算机管理 I/O，彻底解放 CPU，硬件结构最复杂。这个方式下，IO 操作几乎全部由外围处理机来完成，此时外围处理机类似一个小型 PC。
总结
最后我们用一个表格来总结一下这五种 IO 控制方式的特点：
| 控制方式 | 特点 |
|---|---|
| 直接程序控制方式 | ①接口电路简单，控制方便 ②对 CPU 的利用率不充分 |
| 中断方式 | ①对于中低速外设，可极大地提高对ＣＰＵ的利用率． ②接口电路较复杂 ③ 对高速外设有可能降低对 CPU 的利用率。 |
| DMA 方式 | ①对于高速外设可在很大程度上解放了 CPU(数据传送时，无须 CPU 干预） ②接口电路复杂 ③仅属于初步解放 CPU ④交换数据时灵活性差。 |
| 通道方式 | ①有自己的指令系统（CH 指令）和程序（CH 程序）。 ②执行通道程序时可与 CPU 的运行同时进行——并行性。 ③通道指令功能简单，使用面窄，与 CPU 共用一个主存，还不是独立的 I/O 处理机。 |
| 外围处理机方式 | ①独立于主机工作，结构接近 CPU，承担控制、通信、维护诊断等任务。 ②结构复杂成本高 |
