I/O控制方式（全网最细）

写在前面：我是【程序员宝藏】的宝藏派发员，致力于创作原创干货。我热爱技术、热爱开源与分享，创作的【计算机基础面试问题】系列文章和【计算机基础主干知识】系列文章广受好评！后期会创作更多优质原创系列文章！如果您对计算机基础知识、编程等感兴趣，可以关注我，我们一起成长！

本人力荐：如果觉得CSDN排版不够美观，欢迎来我的个人原创公zong号【程序员宝藏】（号如其名，诚不欺你！）查看有红色重点标记和排版美观的全系列文章（不细你来找我要红包）
参考链接：TCP三次握手四次挥手

好多同学问我要pdf版，我干脆把全部文章都整理成了pdf直接打印版，在公zong号后台回复关键字【宝藏】即可免费带回家慢慢看！

相关系列文章：

文章目录

@[toc]

正文开始

1.程序直接控制方式

2.中断驱动方式

3.DMA方式

4.通道控制方式

5.总（举个栗子）

正文开始

1.程序直接控制方式

如下图所示，计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字， CPU 需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/0 控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于CPU 的高速性和I/0设备的低速性，致使CPU 的绝大部分时间都处于等待I/0 设备完成数据I/0 的循环测试中，造成了CPU 资源的极大浪费。在该方式中， CPU 之所以要不断地测试I/0 设备的状态，就是因为在CPU 中未采用中断机构，使I/0 设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。

【痛点】程序直接控制方式虽然简单且易于实现，但其缺点也显而易见，由于CPU 和I/0 设备只能串行工作，导致CPU 的利用率相当低。

2.中断驱动方式

其实后一种的方式都是对前一种的方式的一种改进（OS里面都是为了提高资源利用率和并发性等才改进的，其他也差不多），计算机专业的课程很多都可以用这样的方法学习，不要硬背，这些都不是孤立的，回答的时候体现出改进，一步一步的讲出来，条理和逻辑会比较清楚！

中断驱动方式的思想是，允许I/0 设备主动打断CPU 的运行并请求服务，从而“解放"CPU,使得其向I/0 控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。如下图所示，我们从I/0 控制器和CPU 两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程:

【1】从I/0 控制器的角度来看， I/0 控制器从CPU 接收一个读命令，然后从外围设备读数据。一且数据读入该I/0 控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU 发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU 请求该数据。I/0 控制器收到CPU 发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU 的寄存器中。至此，本次I/0 操作完成， I/0 控制器又可开始下一次I/0操作。
【2】从CPU 的角度来看， CPU 发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文（现场，包括程序计数器及处理机寄存器），转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾， CPU 检查中断。当有来自I/0 控制器的中断时， CPU 保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序以处理该中断。这时， CPU 从I/0 控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着， CPU 恢复发出I/0 命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。

【痛点】：中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/0 控制器之间的传输都必须经过CPU, 这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU 时间。

【注意】：什么叫经过CPU呢？
答：在DMA(Direct memory access 直接存储器访问)之前，输入数据流大概是这样的：
【外围设备->I/O控制器的数据寄存器->CPU寄存器->存储器】，这就叫经过CPU，或者说传输数据的过程需要CPU的干预，于是引出了所谓的DMA(直接在I/O设备和内存之间建立数据通路)。

3.DMA方式

为何引入DMA前面提到了，所有改进如下：

基本单位是数据块（前面是一个字）。
所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。
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DMA控制器的控制下完成的。

命令／状态寄存器(CR) 。用于接收从CPU 发来的I/0 命令或有关控制信息，或设备的状态。
内存地址寄存器(MAR) 。在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。
数据寄存器(DR) 。用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据。
数据计数器(DC) 。存放本次要传送的字（节）数。

如下图所示，DMA方式的工作过程是： CPU 接收到I/O 设备的DMA 请求时，它给I/0
控制器发出一条命令，启动DMA 控制器，然后继续其他工作。之后CPU 就把控制操作委托给DMA 控制器，由该控制器负责处理。DMA 控制器直接与存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字，这个过程不需要CPU 参与。传送完成后，DMA 控制器发送一个中断信号给处理器。因此只有在传送开始和结束时才需要CPU的参与(预处理【设置CR、MAR、DC等】和后处理【中断处理、唤醒因该I/O阻塞的进程程等】)。

DMA控制方式与中断驱动方式的主要区别是:中断驱动方式在每个数据需要传输时中断
CPU, 而DMA 控制方式则是在所要求传送的一批数据全部传送结束时才中断CPU; 此外，中断驱动方式数据传送是在中断处理时由CPU 控制完成的，而DMA 控制方式则是在DMA 控制器的控制下完成的（前面提到了，加深印象！）。

【不算痛点】：如何进一步提高资源利用率呢？当然是请更牛逼的秘书（通道），老板（CPU）尽可能的从累活中解放出来。

4.通道控制方式

I/0 通道是指专门负责输入／输出的处理机。I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步
减少CPU的干预，即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）及有关控制和管理为单位的干预。同时，又可以实现CPU、通道和I/0 设备三者的并行操作，从而更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）操作及有关控制时，只需向I/O 通道发送一条I/O 指令，以给出其所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/0 设备，通道接到该指令后，执行通道程序便可完成CPU 指定的I/O任务，数据传送结束时向CPU发中断请求。(都有预处理和后处理，毕竟CPU才是老板！)

I/O通道与一般处理机的区别是：通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，也就是说通道与CPU 共享内存。

I/O 通道与DMA方式的区别是:DMA 方式需要CPU 来控制传输的数据块大小、传输的内存位置，而通道方式中这些信息是由通道控制的。另外，每个DMA 控制器对应一台设备与内存传递数据，而一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换(包工头；也是上面提到的三者能并行的原因)。

5.总（举个栗子）

科班的同学应该不用看这个栗子也早就理解了，但为了照顾跨考的同学（不来个三连吗？），举个栗子总结以上4种方式：

想象一位客户要去裁缝店做一批衣服的情形。
1）采用程序直接控制时，裁缝没有客户的联系方式，客户必须每隔一段时间去裁缝店看看裁缝
把衣服做好了没有，这就浪费了客户不少的时间。
2）采用中断驱动方式时，裁缝有客户的联系方式，每当他完成一件衣服后，给客户打一个电话，让客户去拿，与程序直接控制能省去客户不少麻烦，但每完成一件衣服就让客户去拿一次，仍然比较浪费客户的时间。
3）采用DMA 方式时，客户花钱雇一位单线秘书，并向秘书交代好把衣服放在哪里（存放仓库），裁缝要联系就直接联系秘书，秘书负责把衣服取回来并放在合适的位置，每处理完100 件衣服，秘书就要给客户报告一次（大大节省了客户的时间）。
4）采用通道方式时，秘书拥有更高的自主权，与DMA方式相比，他可以决定把衣服存放在哪里，而不需要客户操心。而且，何时向客户报告，是处理完100 件衣服就报告，还是处理完10000件衣服才报告，秘书是可以决定的。客户有可能在多个裁缝那里订了货，一位DMA 类的秘书只能负责与一位裁缝沟通，但通道类秘书却可以与多名裁缝进行沟通。