考研408操作系统-IO操作的4种控制方式

IO控制方式/输入输出控制方式

即：用什么样的方式来控制IO设备的数据读写，外围设备和内存之间的IO控制方式有4种

1.程序直接控制方式

准确的讲是“CPU直接控制方式”。是因为整个过程CPU都在执行当前IO进程，其他的什么都不干。
以下为个人猜想：
至于教材为什么叫程序直接控制方式，可能是因为CPU一直被当前进程所占用，相当于是程序直接控制整个IO过程。

程序直接控制过程：
CPU通过控制线向IO控制器中的IO逻辑发送读/写信号，地址线则指明了IO操作的地址。IO逻辑接到CPU信号后，并不会立即读写数据，而是先往状态寄存器写入信息：“我现在正在干活，当前我还没有读完/写完”。
CPU怎么知道IO逻辑干没干完呢？就是通过一刻不停地检查状态寄存器来判断IO设备有没有读完/写完。也就是说，IO设备一边忙，CPU另一边不干别的，就一直盯着IO设备的状态。
IO逻辑这边修改完状态寄存器，就开始通过接口读写数据了，读进来或者要写出去的数据都放到数据寄存器。读/写完毕后，IO逻辑再次修改状态寄存器：“我忙完了”。
CPU检查到状态改变后，立刻从数据寄存器取出数据送给内存，继续投入到下一轮IO操作中。

这样做实现起来十分简单，但缺点很明显：CPU和IO设备是串行工作，CPU一直处于忙等状态干不了别的，cpu利用率很低。

2.中断驱动方式

中断驱动方式就是上一种方法的改进。既然CPU一直等着利用率低，那就不让CPU别在旁边等，直到IO设备忙完了再去叫CPU过来。而这个过程利用的就是操作系统的中断机制。

中断驱动方式：
IO控制器接收到CPU发出的命令之后不仅要修改状态寄存器还要发起一个中断信号，让CPU放弃当前IO进程，使得进程进入阻塞态。相当于IO设备对CPU说“你先走吧，等我忙完再来”。接下来的过程和之前一样。
等到IO设备读写操作完毕后，它又发起一个中断，迫使CPU放下当前进程回来执行之前阻塞的IO进程，然后CPU将数据从寄存器取出送给内存。

总的来说就是IO操作前多了两次中断操作，第一次让CPU走，第二次让CPU来。
现在CPU和IO设备是并行工作，但是另外一个问题也暴露出来了：程序直接控制方式和中断驱动方式都是每次读写一个字，当数据较大时就需要多次IO操作，一次操作就需要两次中断，n次操作就需要2n次中断。频繁的中断操作其实也是比较影响系统的运行效率的。

3.DMA方式（直接存储器存取方式）

DMA方式：
既然每次读写一个字太少了，那就想办法提高每次读写的数据量不就好了吗。
原来的IO控制器太垃圾，那就再做一个DMA控制器。实际上，DMA控制器本质上也是IO控制器，区别就是每次可以读写一个磁盘块。
同样都是控制器，那凭啥它就能每次读一个块呢？其实它也就只能每次读一个字的大小，但它比较“精明”,不会每读写一个字就发起中断，而是慢慢攒起来，攒到一个块的时候再发起中断。DMA内部有一个DC（数据计数器），它通过DC统计自己在DR（数据寄存器）积攒的数据量，达到一个块就发起中断。

除此之外还有一个改进：那就是DMA控制器读写的数据直接交给内存，无需经过CPU。
但DMA方式还是有缺点的：cpu每次发出一条IO指令只能读写一个或多个连续的数据块。
读写离散的块还是需要多次中断。

4.通道控制方式

通道控制方式：
通道是专门被开发出来处理IO操作的处理机，就像GPU专门处理图像信号那样。
IO通道既充当了cpu的角色，又充当了IO控制器的角色。
通道控制方式的流程是这样的：cpu发出IO指令，指令当中会告诉通道要读写的IO设备是谁、要读写的数据量是多少、要读写的内存地址是多少... IO通道接收指令后读取通道程序开始读写操作，从IO设备读出的数据直接到内存，中间过程通道会自己处理，不用关心它中间读写的是连续的数据块还是不连续的。通道操作完毕后发起中断，一次IO操作完毕。
CPU就像是一家之主，通道则是一个大管家，那些工作的细节主人不用关心，只要关注结果即可。

总结：