I/O控制方式

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—- 随着计算机技术的发展，I/O控制方式（设备与内存之间的数据传输控制方式）主要有以下四种：

1、程序I/O方式（程序直接控制方式）

—- 早期的计算机系统中，由于无中断机构，处理机对I/O设备的控制采取程序直接控制方式，或称为忙–等待方式，即在处理机向控制器发出

一条I/O指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，然后便不断地循环测试busy。当busy=1时，表示输入机

尚未输完一个字（符），处理机应继续对该标志进行测试，直至busy=0，表明输入机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。于是处理机将

数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，这样便完成了一个字/符的I/O。接着再去启动读下一个数据，并置busy=1.

—- 在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对

CPU的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中无中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了

一个字符的输入操作。

2、中断控制方式（中断驱动I/O控制方式）

—- 在现代的计算机系统中，都引入了中断机构，所以对I/O设备的控制都广泛采用中断驱动（Interrupt Driven）方式，即当某进程要启动某个I/O

设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定

的I/O设备。此时，CPU与I/O设备并行操作。例如，在输入时，当设备控制器收到CPU发来的读命令后，便去控制相应的输入设备读数据。

一旦数据进入数据寄存器(在设备控制器中)，设备控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查输入过程是否出错。

若无错，便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线将数据写入内存指定单元中。

—- 在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去

做些中断处理。可见，这样可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。

3、DMA控制方式（直接存储器访问I/O控制方式）

—- 虽然中断驱动I/O比程序I/O方式更有效，但须注意，它仍是以字（节）为单位进行I/O的，每当完成一个字节的I/O时，控制器便要向CPU请求

一次中断。换言之，采用中断驱动I/O方式时的CPU是以字（节）为单位进行干预的。如果将这种方式用于块设备的I/O，显然是极其低效的。

例如，为了从磁盘中读出1KB的数据块，需要中断CPU1K次。为了进一步减少CPU对I/O的干预而引入了DMA访问方式，该方式的特点是：

— 1）数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块；

— 2）所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反，即只能单向传输。

— 3）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。

—- DMA控制器由三部分组成：主机与DMA控制器的接口；DMA控制器与块设备的接口；I/O控制逻辑。

      为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器：

— 1）命令/状态寄存器（CR,command register）。用于接收从CPU发来的I/O命令，或有关控制信息，或设备的状态。

— 2）内存地址寄存器（MAR,memory address register）。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。

— 3）数据寄存器（DR,data register）.用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。

— 4）数据计数器（DC,data counter）.存放本次CPU要读或写的字（节）数。

—- DMA工作过程：以磁盘读入数据为例，说明DAM方式的工作流程。

— 1）当CPU要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令，该命令被送入（控制器的）命令寄存器（CR）中。

— 2）同时，还需发送本次要将数据读入的内存起始目标地址，该地址被送入内存地址寄存器（MAR）中。

— 3）本次要读数据的字（节）数则送入数据计数器（DC）中，将磁盘中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制逻辑上。

— 4）启动DMA控制器进行数据传送，以后CPU便可去处理其他任务。此后整个数据传送过程便由DMA控制器进行控制。

— 5）当DMA控制器已从磁盘中读入一个字（节）的数据并送入数据寄存器（DR）后，再挪用一个存储器（内存）周期，将该字（节）传送到

MAR所指示的内存单元中。接着对MAR的内容加1，DC内容减1。若减1后DC的内容不为0，表示传送未完，便继续传送下一个字（节）。

若DC的内容为0，表示数据已传送完，由DMA控制器发出中断请求。DMA方式的工作流程图如下所示：

—- DMA控制方式的特点为：数据传输的基本单位是数据块，而且数据是单向传输，从设备到内存或者相反。

—- DMA控制方式与中断控制方式的主要区别是：

1）中断控制方式在每个数据传送完成后中断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。

2）中断控制方式的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。

优点：DMA控制方式下，设备和CPU可以并行工作，同时设备与内存的数据交换速度加快，并且不需要CPU干预。

缺点：数据传送的方向只能是单向的。存放输入数据的内存起始地址及传送的数据长度等都由CPU控制，并且每台设备都需要一个DMA

控制器，当设备增加时，多个DMA控制器的使用也不经济。

4、通道控制方式—-后续章节。。