操作系统基础：IO管理概述【下】

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系列专栏：OS从基础到进阶

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1 I/O控制器

⛸️1.1 什么是IO控制器？

⛸️1.2 IO控制器的功能

⛸️1.3 IO控制器的组成

1.3.1 CPU与控制器的接口

（1）该部分实现的功能
用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令；通过地址线指明要操作的设备；通过数据线来取出（输 入）数据，或放入（输出）数据
（2）基本组成
①数据寄存器
当设备输入时，存放设备输入的数据（比如键盘键入的字符）；当CPU对设备输出时，存放CPU输入的数据。是双向的。

②控制寄存器
CPU发出的IO指令中可能包含一些其他的参数，放在控制寄存器中。是单向的。

③状态寄存器
存放各设备的状态，比如1表示空闲，0表示忙碌，CPU从其中读取。是单向的。

1.3.2 IO逻辑

（1）该部分实现的功能
负责接收和识别CPU 的各种命令（如地址译码），并负责对设备发出命令

1.3.3 控制器与设备机器设备的接口

（1）该部分实现的功能
用于实现控制器与设备之间的通信
（2）基本组成
①与各设备连接的接口
各接口都要实现传输
Ⅰ 数据信息（传送输入/ 输出数据）
Ⅱ 状态信息（设备向控制器反馈自己的状态）
Ⅲ 控制信息（控制器向设备发出控制信息）。

1.3.4 总体示意图

1.3.5 注意

1.3.6 编址方式

（1）内存映像编址
①解释
内存映射 I/O。控制器中的寄 存器与内存地址统一编址

②优点
简化了指令。可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作

（2）寄存器独立编址
①解释
寄存器独立编制。 控制器中的寄存器使用单独的地址

②缺点
需要设置专门的指令来实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号

⛸️1.4 总结

2 I/O控制方式

⛸️2.1 总览

⛸️2.2 程序直接控制方式

2.2.1 什么是程序直接控制方式？

已键盘向CPU键入数据为例：

（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）CPU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，知道状态为为0（设备已经完成输入）
（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（已就绪）
（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 （已就绪）
（5）CPU发现设备已就绪，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

2.2.2 完成一次读写操作的流程

2.2.3 CPU干预的频率

2.2.4 数据传送的单位？

每次读写一个字

2.2.5 数据的流向？

2.2.6 优缺点

⛸️2.3 中断驱动方式

️2.3.1 什么是中断驱动方式

️2.3.2 注意

️2.3.3 完成一次读写操作的流程

️2.3.4 CPU干预的频率

️2.3.5 数据传送的单位

每次读/写一个字

️2.3.6 数据的流向

与程序直接控制方式类似

️2.3.7 主要优缺点

⛸️2.4 DMA控制器方式

2.4.1 DMA控制器的基本组成

DR、MAR、DC、CR都是操作系统中的寄存器：

2.4.2 DMA方式的工作流程

以键盘键入数据为例：
CPU将数据存放在内存中的地址存入MAR，DMA负责读取键盘键入的字符，将其存放在DR中，待键入结束后，再将DR中的数据存入MAR中显示的内存地址，并发出中断请求，使CPU进行处理。

2.4.3 完成一次读/写操作的流程

2.4.4 CPU干预的频率

仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

2.4.5 数据传送的单位

2.4.6 数据的流向

不再经过CPU

2.4.7 主要优缺点

2.4.8 注意

（1）DMA读取数据的过程中，是一次读入一个字，再将读取的字存入DR中，但对于CPU来说，好像是一次读入了一块的数据。
（2）每次读写的只可以是连续的块，如果想读写离散的块，就必须发送多次中断。

⛸️2.5 通道控制方式

2.5.1 基本工作流程

（1）CPU向通道发出I/O指令。指明通道程序（可以理解为CPU下派的任务清单）在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备。之后CPU就切换到其他进程执行了。
（2）通道执行内存中的通道程序，它其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的什么位置等信息
（3）通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后 CPU对中断进行处理

2.5.2 通道程序的基本组成

在通道程序中，CPU可以指派一堆任务，同时读/写的数据也不必是连续的，只要指定了内存中的位置就可以。这是对DMA控制方式的改进。

2.5.3 完成一次读/写操作的流程

2.5.4 CPU干预的频率

2.5.5 数据传送的单位

每次读/写一组数据块

2.5.6 数据的流向

数据是在通道的控制下进行的。

2.5.7 优缺点

⛸️2.6 总结

3 总结

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