操作系統I/O控制方式詳解

一、導讀

爲了有效地實現物理I/O操作，必須通過硬件和軟件技術，對 CPU 和 I/O 設備的職能進行合理的分工，以調節系統性能和硬件成本之間的矛盾。
隨着計算機技術的發展，I/O 控制方式也在不斷髮展。選擇和衡量 I/O 控制方式有如下三條原則：

• 數據傳送速度足夠快，能滿足用戶的需求但又不丟失數據；
• 系統開銷小，所需的處理控制程序少
• 能充分發揮硬件資源的能力，使 I/O 設備儘可能忙，而 CPU 等待時間儘可能少。

按照I/O控制器功能的強弱以及和 CPU 之間聯繫方式的不同，可以把 I/O 設備的控制方式和通道控制方式分爲四類：直接程序控制方式、中斷驅動控制方式、直接存儲器訪問（DMA）控制方式和通道控制方式。I/O控制方式發展的目標是儘量減少CPU對 I/O 控制的干預，把CPU從繁雜的 I/O 控制事務中解脫出來，以便更多地進行數據處理，提高計算機效率和資源的利用率。 它們之間的主要差別在於 CPU 與外圍設備並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戶進程直接控制主存或 CPU 和外圍設備之間的信息傳送。直接程序控制方式又稱爲詢問方式，或忙/等待方式。通過 I/O 指令或詢問指令測試 I/O 設備的忙/閒標誌位，決定主存與外圍設備之間是否交換一個字符或一個字。

流程圖概述直接程序控制方式的工作流程如下：

① 當用戶進程需要輸入數據時，通過 CPU 向控制器發出一條 I/O 指令，啓動設備輸入數據，同時把狀態寄存器中的忙/閒狀態 busy 置爲1
② 用戶進程進入測試等待狀態，在等待過程中，CPU 不斷地用一條測試指令檢查外圍設備狀態寄存器中的 busy 位，而外圍設備只有在數據傳入控制器的數據寄存器之後，纔將該 busy 位置爲0,。
③ 處理器將數據寄存器中的數據取出，送入主存指定單元，完成一個字符的I/O操作，接着進行下一個數據的 I/O 操作

直接程序控制方式雖然簡單，不需要多少硬件的支持，但由於高速的 CPU 和低速的 I/O 設備之間的速度上不匹配，因此，CPU 與外圍設備只能串行工作，使 CPU 的絕大部分時間都處於等待是否完成 I/O 操作的循環測試中，造成 CPU 的極大浪費，外圍設備也不能得到合理的使用，整個系統的效率很低。因此，這種I/O控制方式只適合於 CPU 執行速度較慢，且外圍設備較少的系統。

2、中斷驅動控制方式

爲了減少程序直接控制方式下 CPU 的等待時間以及提高系統的並行程度，系統引入了中斷機制。中斷機制引入後，外圍設備僅當操作正常結束或異常結束時才向 CPU 發出中斷請求。在 I/O 設備輸入每個數據的過程中，由於無需 CPU 的干預，一定程度上實現了 CPU 與 I/O設備的並行工作。僅當輸入或輸出完一個數據時，才需 CPU 花費極短的時間做中斷處理。

存在的問題：由於I/O操作直接由 CPU 控制，每傳送一個字符或一個字，都要發生一次中斷，仍然佔用了大量的 CPU 處理時間，因此可以通過爲外圍設備增加緩衝寄存器存放數據來減少中斷次數。

上述兩種方法的特點都是以 CPU 爲中心，數據傳送通過一段程序來實現，軟件的傳送手段限制了數據傳送的速度。接下來介紹的這兩種I/O 控制方式採用硬件的方法來顯示 I/O 的控制

3.直接存儲器訪問(DMA)控制方式

直接存儲器訪問控制方式又稱 DMA（Direct Memory Access）方式。爲了進一步減少 CPU 對 I/O 操作的干預，防止因並行操作設備過多使 CPU 來不及處理或因速度不匹配而造成的數據丟失現象，引入了 DMA 控制方式。在 DMA 控制器的控制下，採用竊取或挪用總線控制權，在設備和主存之間開闢直接數據交換通道，成批地交換數據，而不必讓 CPU 干預。
DMA控制器的組成及作用：

控制/狀態寄存器（CR）：主要存放一些控制信息和系統的狀態信息，如啓動位、中斷位、busy位。
數據緩衝寄存器（DR）：存放要輸入輸出的數據，起中間緩存的作用。
傳送字節計數器（DC）：存放本次要進行IO操作的字節個數。
內存地址寄存器（MAR）：存放內存中緩衝區的起始地址。因爲在進行IO操作時，設備總是與內存中的某個緩衝區直接打交道。

DMA傳送過程：

（1）DMA傳送前預處理： （CPU完成）

• 測試設備狀態
• CPU初始化DMA控制器：

主存緩衝區首址 → MAR；
傳送數據字節數 → DC；
設置傳輸方式（DMA的傳輸有多種方式，如以字符爲單位或者以數據塊爲單位申請總線的使用權）

• 啓動設備。
  （2）DMA控制器控制完成設備與主存間的數據傳送

• 磁盤控制器將整塊數據從磁盤讀入DMA控制器的DR中；

• 磁盤控制器校驗讀入的數據；

• 磁盤控制器向DMA控制器發DMA請求

• DMA控制器向CPU請求總線週期，獲得總線控制器權後：
  
  
  （3）CPU響應中斷進行後處理：（CPU完成）
  
  DMA方式的特點：

① 數據傳送以數據塊爲基本單位
② 所傳送的數據從設備直接送入主存，或者從主存直接輸出到設備上
③ 僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時才需 CPU 的干預，而整塊數據的傳送則是在控制器的控制下完成。

DMA方式和中斷驅動控制方式相比，減少了 CPU 對 I/O 操作的干預，進一步提高了 CPU 與 I/O 設備的並行操作程度。
DMA方式的線路簡單、價格低廉，適合高速設備與主存之間的成批數據傳送，小型、微型機中的快速設備均採用這種方式，但其功能較差，不能滿足複雜的 I/O 要求。

4、通道控制方式

通道，獨立於 CPU 的專門負責輸入輸出控制的處理機，它控制設備與內存直接進行數據交換。有自己的通道指令，這些指令由 CPU 啓動，並在操作結束時向 CPU 發出中斷信號。

通道控制方式是一種以內存爲中心，實現設備和內存間直接交換數據的控制方式。 也是傳輸速率比較高的IO控制方式。

通道的運算控制部件：

通道地址字（CAW）：記錄下一條通道指令的地址，其功能類似於中央處理機的指令計數器。
通道命令字（CCW）：記錄正在執行的通道指令，其作用相當於中央處理機的指令寄存器。
通道狀態字（CSW）：記錄通道、控制器、設備的狀態，包括I/O傳輸完成信息、出錯信息、重複執行次數等。當IO操作完成後，CPU通過讀取通道狀態字的值來了解IO操作的執行情況。

通道程序：保存在主存中

通道通過執行一個通道程序來完成IO控制的。通道雖然是一種處理機，但是它本身沒有內存，是與主機CPU共享系統的主存。所以通道程序是存放在主存中的。一個通道程序由一系列通道指令構成。 通道指令內容如下：

操作碼：規定指令所執行的操作。
內存地址：內存緩衝區首址。
計數：本條指令要讀寫的字節數。
通道程序結束位P：P=1表示本條指令是通道程序最後一條指令。
記錄結束標誌R：R=0表示本條指令與下一條指令所處理的數據屬同一條記錄。

如下是一個簡答的通道程序往磁盤上寫一組數據，最後一個指令的P位爲1，表示這個該通道程序的最後一條指令。

I/O控制過程


通道控制方式，實現了CPU、通道和I/O設備三者的並行操作，從而更加有效地提高整個系統的資源利用率。例如，當 CPU 要完成一組相關的讀（或寫）操作時，只需要向 I/O 通道發出一條 I/O 指令，指出其所要執行的通道程序的首址和要訪問的I/O設備，通道接收到該指令後，通過執行通道程序便可完成 CPU 指定的 I/O 任務。可見，通道只是在 I/O 操作的起始和結束時向 CPU 發出 I/O 中斷申請，相對於之前的控制方式進一步減少了 CPU 的干預程度。

I/O控制方式有幾種？分別適用何種場合？

程序控制方式

原理：程序直接控制主機和外部設備之間的io操作，程序必須不停探測io端口的狀態。
cpu與io串行工作

中斷控制方式

原理：cpu處理自己的事情，收到中斷請求之後，轉過去處理中斷，結束之後回到原來的位置繼續處理自己的事情。
cpu與io並行工作（宏觀上的）

DMA方式

cpu和io之間通過DMA控制器直接進行數據交換，DMA控制器獲得總線控制權，無需cpu干預。
並行

通道控制方式

也是一個處理器，實現io與cpu的直接數據交換，與DMA不同的是一個通道可以控制多個io設備。
並行

1.直接程序控制方式：只適合於CPU執行速度較慢，且外圍設備較少的系統。
2.中斷驅動控制方式：可以成倍地提高CPU的利用率，並且能支持多道程序和設備的並行操作。但是由於I/O操作直接由CPU控制，每傳送一個字符或一個字，都要發生一次中斷，仍然佔用了大量的CPU處理時間，因此可以通過爲外圍設備增加緩衝器存放數據來減少中斷次數。
3.DMA直接存儲器訪問控制方式：線路簡單，價格低廉，適合高速設備與主存之間的成批數據傳送，小型，微型機中的快速設備均採用這種方式，但其功能較差，不能滿足複雜的I/O要求。
4.通道控制方式：適用於大型計算機需要連接大量的高速和低速設備。

參考：知乎：設備管理：IO控制

王道考研：這個就不說了，感覺單純應對考研知識的話王道真的很不錯了。