需要注意的问题:

  1. 完成一次读/写操作的流程
  2. CPU 干预的频率
  3. 数据传送的单位
  4. 数据的流向
  5. 主要缺点和优点

1. 程序直接控制

  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（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

1.1. CPU 干预的频率

很频繁,I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入,并且在等待 I/O 完成的过程中 CPU 需要不断地轮询检查。

1.2. 数据传送的单位

每次读/写一个字

1.3. 数据的流向

  1. 读操作(数据输入): I/O设备→CPU(指的是 CPU 寄存器)→内存
  2. 写操作(数据输出): 内存→CPU(指的是 CPU 寄存器)→I/O设备
  3. 每个字的读/写都需要 CPU 的帮助

1.4. 主要缺点和主要优点

优点: 实现简单。在读/写指令之后,加上实现循环检查的系列指令即可(因此才称为“程序直接控制方式”)

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。

2. 中断驱动方式

引入中断机制。由手 I/O 设备速度很慢，因此在 CPU 发出读/写命令后，可将等待 I/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:

  1. CPU 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。

2.1. CPU 干预的频率

很频繁,I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入,并且在等待 I/O 完成的过程中 CPU 可以切换到别的进程执行。

2.2. 数据传送的单位

每次读/写一个字

2.3. 数据的流向

  1. 读操作(数据输入): I/O设备→CPU(指的是 CPU 寄存器)→内存
  2. 写操作(数据输出): 内存→CPU(指的是 CPU 寄存器)→I/O设备

2.4. 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。

缺点: 每个字在 I/O 设备与内存之间的传输，都需经过 CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的 CPU 时间。

3. DMA 方式

与“中断驱动方式”相比，DMA 方式（Direct Memory Access，宜接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进:

  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 CPU 干预。
  • 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 Addlress 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）: 用于存放 CPU 发来的 I/O 命令，或设备的状态信息。

3.1. 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 CPU 干预。

3.2. 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

3.3. 数据的流向

  1. 读操作(数据输入): I/O 设备→内存
  2. 写操作(数据输出): 内存→I/O 设备

3.4. 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 指会，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。

4. 通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解是 “弱鸡版的 CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令

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 共亭内存

  1. CPU 向通道发出 I/O 指令。指明通道程序在内存中的位置，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（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

4.1. 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 干预。

4.2. 数据传送的单位

每次读/写一组数据块

4.3. 数据的流向

  1. 读操作(数据输入): I/O 设备→内存
  2. 写操作(数据输出): 内存→I/O 设备

4.4. 主要缺点和主要优点

优点

实现复杂，需要专门的通道硬件支持

缺点

CPU、通道、 I/O 设备可并行工作，资源利用率很高。

5. 总结