操作系统I/O控制方式详解

一、导读

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。
随着计算机技术的发展，I/O 控制方式也在不断发展。选择和衡量 I/O 控制方式有如下三条原则：

数据传送速度足够快，能满足用户的需求但又不丢失数据；
系统开销小，所需的处理控制程序少
能充分发挥硬件资源的能力，使 I/O 设备尽可能忙，而 CPU 等待时间尽可能少。

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 设备的控制方式和通道控制方式分为四类：直接程序控制方式、中断驱动控制方式、直接存储器访问（DMA）控制方式和通道控制方式。I/O控制方式发展的目标是尽量减少CPU对 I/O 控制的干预，把CPU从繁杂的 I/O 控制事务中解脱出来，以便更多地进行数据处理，提高计算机效率和资源的利用率。它们之间的主要差别在于 CPU 与外围设备并行工作的方式和程度不同。

二、I/O控制方式

1、直接程序控制方式

直接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。
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流程图概述直接程序控制方式的工作流程如下：

① 当用户进程需要输入数据时，通过 CPU 向控制器发出一条 I/O 指令，启动设备输入数据，同时把状态寄存器中的忙/闲状态 busy 置为1
② 用户进程进入测试等待状态，在等待过程中，CPU 不断地用一条测试指令检查外围设备状态寄存器中的 busy 位，而外围设备只有在数据传入控制器的数据寄存器之后，才将该 busy 位置为0,。
③ 处理器将数据寄存器中的数据取出，送入主存指定单元，完成一个字符的I/O操作，接着进行下一个数据的 I/O 操作

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。

2、中断驱动控制方式

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，外围设备仅当操作正常结束或异常结束时才向 CPU 发出中断请求。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。

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存在的问题：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，因此可以通过为外围设备增加缓冲寄存器存放数据来减少中断次数。

上述两种方法的特点都是以 CPU 为中心，数据传送通过一段程序来实现，软件的传送手段限制了数据传送的速度。接下来介绍的这两种I/O 控制方式采用硬件的方法来显示 I/O 的控制

3.直接存储器访问(DMA)控制方式

直接存储器访问控制方式又称 DMA（Direct Memory Access）方式。为了进一步减少 CPU 对 I/O 操作的干预，防止因并行操作设备过多使 CPU 来不及处理或因速度不匹配而造成的数据丢失现象，引入了 DMA 控制方式。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控制器的组成及作用：
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控制/状态寄存器（CR）：主要存放一些控制信息和系统的状态信息，如启动位、中断位、busy位。
数据缓冲寄存器（DR）：存放要输入输出的数据，起中间缓存的作用。
传送字节计数器（DC）：存放本次要进行IO操作的字节个数。
内存地址寄存器（MAR）：存放内存中缓冲区的起始地址。因为在进行IO操作时，设备总是与内存中的某个缓冲区直接打交道。

DMA传送过程：

（1）DMA传送前预处理：（CPU完成）

测试设备状态
CPU初始化DMA控制器：

主存缓冲区首址 → MAR；
传送数据字节数 → DC；
设置传输方式（DMA的传输有多种方式，如以字符为单位或者以数据块为单位申请总线的使用权）

启动设备。
（2）DMA控制器控制完成设备与主存间的数据传送
磁盘控制器将整块数据从磁盘读入DMA控制器的DR中；
磁盘控制器校验读入的数据；
磁盘控制器向DMA控制器发DMA请求
DMA控制器向CPU请求总线周期，获得总线控制器权后：

（3）CPU响应中断进行后处理：（CPU完成）

DMA方式的特点：

① 数据传送以数据块为基本单位
② 所传送的数据从设备直接送入主存，或者从主存直接输出到设备上
③ 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需 CPU 的干预，而整块数据的传送则是在控制器的控制下完成。

DMA方式和中断驱动控制方式相比，减少了 CPU 对 I/O 操作的干预，进一步提高了 CPU 与 I/O 设备的并行操作程度。
DMA方式的线路简单、价格低廉，适合高速设备与主存之间的成批数据传送，小型、微型机中的快速设备均采用这种方式，但其功能较差，不能满足复杂的 I/O 要求。

4、通道控制方式

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。

通道控制方式是一种以内存为中心，实现设备和内存间直接交换数据的控制方式。也是传输速率比较高的IO控制方式。

通道的运算控制部件：

通道地址字（CAW）：记录下一条通道指令的地址，其功能类似于中央处理机的指令计数器。
通道命令字（CCW）：记录正在执行的通道指令，其作用相当于中央处理机的指令寄存器。
通道状态字（CSW）：记录通道、控制器、设备的状态，包括I/O传输完成信息、出错信息、重复执行次数等。当IO操作完成后，CPU通过读取通道状态字的值来了解IO操作的执行情况。

通道程序：保存在主存中

通道通过执行一个通道程序来完成IO控制的。通道虽然是一种处理机，但是它本身没有内存，是与主机CPU共享系统的主存。所以通道程序是存放在主存中的。一个通道程序由一系列通道指令构成。通道指令内容如下：

操作码：规定指令所执行的操作。
内存地址：内存缓冲区首址。
计数：本条指令要读写的字节数。
通道程序结束位P：P=1表示本条指令是通道程序最后一条指令。
记录结束标志R：R=0表示本条指令与下一条指令所处理的数据属同一条记录。

如下是一个简答的通道程序往磁盘上写一组数据，最后一个指令的P位为1，表示这个该通道程序的最后一条指令。
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I/O控制过程

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。

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I/O控制方式有几种？分别适用何种场合？

程序控制方式

原理：程序直接控制主机和外部设备之间的io操作，程序必须不停探测io端口的状态。
cpu与io串行工作

中断控制方式

原理：cpu处理自己的事情，收到中断请求之后，转过去处理中断，结束之后回到原来的位置继续处理自己的事情。
cpu与io并行工作（宏观上的）

DMA方式

cpu和io之间通过DMA控制器直接进行数据交换，DMA控制器获得总线控制权，无需cpu干预。
并行

通道控制方式

也是一个处理器，实现io与cpu的直接数据交换，与DMA不同的是一个通道可以控制多个io设备。
并行

1.直接程序控制方式：只适合于CPU执行速度较慢，且外围设备较少的系统。
2.中断驱动控制方式：可以成倍地提高CPU的利用率，并且能支持多道程序和设备的并行操作。但是由于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，因此可以通过为外围设备增加缓冲器存放数据来减少中断次数。
3.DMA直接存储器访问控制方式：线路简单，价格低廉，适合高速设备与主存之间的成批数据传送，小型，微型机中的快速设备均采用这种方式，但其功能较差，不能满足复杂的I/O要求。
4.通道控制方式：适用于大型计算机需要连接大量的高速和低速设备。

参考：知乎：设备管理：IO控制

王道考研：这个就不说了，感觉单纯应对考研知识的话王道真的很不错了。