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）

news2024/11/17 9:28:54

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。