第五章 I/O管理 三、I/O控制方式（程序直接控制、中断驱动方式、DMA方式、通道控制方式）
目录
一、程序直接控制方式
1、以读操作为例
2、CPU的干预
3、数据传送的单位
4、数据的流向
5、优点
6、缺点
二、中断驱动方式
1、定义：
2、CPU干预的频率
3、数据传送的单位
4、数据的流向
5、主要缺点和主要优点
优点:
缺点:
三、DMA方式（直接存储器存取）
1、改进：
2、DMA控制器
3、基本信息：
1.完成一次读/写操作的流程（见上图)
2.CPU千预的频率
3.数据传送的单位
4.数据的流向(不再需要经过CPU)
5.主要缺点和主要优点
优点:
缺点:
四、通道控制方式
编辑
1.完成一次读/写操作的流程（见上图）
2.CPU干预的频率
3.数据传送的单位
4.数据的流向（在通道的控制下进行)
5.主要缺点和主要优点
缺点:
优点:
五、总结
一、程序直接控制方式
1、以读操作为例
（1）CPU向控制器发出读指令。于是设备启动，并且状态寄存器设为1（未就绪)
（2）轮询检查控制器的状态(其实就是在不断地执行程序的循环，若状态位一直是1，说明设备还没准备好要输入的数据,于是CPU会不断地轮询)
（3）输入设备准备好数据后将数据传给控制器，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(己就绪)
（5）CPU发现设备已经就绪，即可将数据寄存器中的内容读入CPU的寄存器中，再把CPU寄存器中的内容放入内存
（6）若还要继续读入数据，则CPU继续发出读指令
2、CPU的干预
很频繁，l/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待l/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
3、数据传送的单位
每次读/写一个字
4、数据的流向
读操作（数据输入) : I/O设备→CPU→内存（CPU指的是寄存器）
写操作（数据输出）:内存→CPU→I/O设备
每个字的读/写都需要CPU的帮助
5、优点
实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”)
6、缺点
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。
二、中断驱动方式
1、定义：
- 引入中断机制。
- 由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待l/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（(或其他进程）的运行环境，然后继续执行。
注意：
①CPU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，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。
2、CPU干预的频率
每次I/o操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
等待l/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
3、数据传送的单位
每次读/写一个字
4、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
5、主要缺点和主要优点
优点:
与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/o控制器会通过中断信号主动报告I/o已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/o设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点:
每个字在I/o设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
三、DMA方式（直接存储器存取）
1、改进：
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作为“快递小哥”。
③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。
2、DMA控制器
- DR(Data Register，数据寄存器）:暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
- MAR(Memory Address Register，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MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
- DC (Data Counter，数据计数器):表示剩余要读/写的字节数。
- CR(Command Register，命令/状态寄存器)∶用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。
3、基本信息：
1.完成一次读/写操作的流程（见上图)
2.CPU千预的频率
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要cPU千预。
3.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，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的)
4.数据的流向(不再需要经过CPU)
读操作（数据输入） : I/O设备→内存
写操作（数据输出）:内存→/O设备
5.主要缺点和主要优点
优点:
数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
缺点:
- 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到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
四、通道控制方式
通道:一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行-系列通道指令
与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，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
1.完成一次读/写操作的流程（见上图）
2.CPU干预的频率
极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU千预。
3.数据传送的单位
每次读/写一组数据块
4.数据的流向（在通道的控制下进行)
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
5.主要缺点和主要优点
缺点:
实现复杂，需要专门的通道硬件支持
优点:
CPU、通道、l/O设备可并行工作，资源利用率很高。
五、总结
