I/O控制方式(程序直接控制方式,中断驱动方式,DMA方式,通道控制方式)

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I/O控制方式(程序直接控制方式,中断驱动方式,DMA方式,通道控制方式)

2024-07-14 13:56| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 1.程序直接控制方式1.完成一次读/写操作的流程(以读操作为例)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 2.中断驱动方式1.注意2.CPU千预的频率3.数据传送的单位4.数据的流向5.主要缺点和主要优点 3.DMA方式1. 主要特点2.DMA控制器3.CPU干预的频率4.数据传送的单位5.数据的流向6.主要缺点和主要优点 4.通道控制方式1.通道进行一次IO的步骤2.CPU千预的频率3.数据传送的单位4.数据的流向5.主要缺点和主要优点

1.程序直接控制方式 1.完成一次读/写操作的流程(以读操作为例) 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)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)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)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若还要继续读入数据,则CPU继续发出读指令

轮询: 在这里插入图片描述

2.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.主要缺点和优点 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”)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l/O的进程(或其他进程)的运行环境,然后继续执行。

1.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千预的频率

每次l/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。 等待I/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。

3.DMA方式

与“中断驱动方式”相比,DMA方式(Direct Memory Access,直接存储器存取。主要用于块设备。

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CPU指明此次要进行的操作(如:读操作),并说明要读入多少数据、数据要存放在内存的什么位置、数据在外部设备上的地址(如:在磁盘上的地址)

控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读/写工作,整块数据的传输完成后,才向CPU发出中断信号.

1. 主要特点

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。 ③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时,才需要CPU千预。

2.DMA控制器

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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。

3.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千预。

4.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)

5.数据的流向

(不再需要经过CPU) 读操作(数据输入) : I/O设备→内存 写操作(数据输出):内存→I/O设备

6.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指令,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,可以理解为是“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共享内存

1.通道进行一次IO的步骤 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)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 在这里插入图片描述 2.CPU千预的频率

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千预。

3.数据传送的单位

每次读/写一组数据块

4.数据的流向

(在通道的控制下进行) 读操作(数据输入) : I/O设备→内存 写操作(数据输出):内存→I/O设备

5.主要缺点和主要优点

缺点:实现复杂,需要专门的通道硬件支持 优点:CPU、通道、I/O设备可并行工作,资源利用率很高。

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