I/O系统的控制方式

I/O系统的控制方式有四种：程序直接控制、中断控制、DMA控制和通道控制。

1、程序直接控制（自己）：

简介：遇I/O操作时，程序等待I/O操作完成后再继续往后执行。

评价：所有处理都需要CPU操作， CPU利用效率低。

2、中断控制（其他人）：

简介：系统遇到非寻常或非预期的急需处理的事件时，CPU转去执行中断处理程序，执行完后返回。以字节为单位进行传输。

评价：常用，但输入输出数据都会发生中断，浪费CPU处理时间。

3、DMA控制（经理，CPU做总经理）：

简介：I/O数据传送直接由DMA控制器完成，设备和主存之间可成批的进行数据交换，不用CPU干涉。适用于块设备的数据传输。

评价： CPU负担少。DMA以数据块的方式传输，虽比中断控制请求中断少，但没通道传输效率高。通道可在收到一次CPU I/O命令后完成一组数据块的I/O，比DMA节省CPU中断请求，更高效。

4、通道控制方式（总经理，CPU做董事长）：

简介： CPU只需要发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可以启动通道并使该通道从主存中调出相应的通道指令执行，完成一组数据块的I/O。

评价：CPU干预更少，可实现CPU、通道和I/O设备三者之间的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。通道控制方式适用于现代计算机系统中的大量数据交换。

通俗解释：通道控制方式就像一个取得巨大成就的企业家一样，企业的规模越来越大，成立了董事会，自己任董事长（CPU），然后聘请若干的总经理（通道）来负责不同类型的企业，总经理锁负责的企业又分成若干部门，由经理（设备控制器）负责各个部门的工作（I/O设备）。董事长只需发布一些更宏观的控制命令就可以管理整个企业了，从而提高了自己的工作效率。

其实就是一步步去解放CPU，高效利用CPU时间，提高程序处理效率。

I/O设备

除了CPU和主存外，计算机系统的每一部分都可作为一个外围设备来看待。外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系。

五大类外围设备：

设备控制器

IO设备一般是由执行IO操作的机械部分和执行控制IO的电子部件组成。通常将这两部分分开，执行IO操作的机械部分就是一般的IO设备，而执行控制IO的电子部件则称为设备控制器或适配器。

可见，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。
设备控制器的主要功能就是控制一个或多个IO设备，以实现IO设备和计算机之间的数据交换。它是CPU和IO设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，去控制IO设备工作，使处理机能够从繁杂的设备控制事务中解脱出来。

对IO设备的控制方式

我们知道，数据存入、输出内存都必须得经过CPU的通用寄存器。当数据传输完毕过后，CPU会被设备控制器中断，CPU进而处理中断程序。CPU还要将传来的数据写入内存或是把要输出的数据发送给IO设备。当大量IO操作出现时，CPU的搬运数据的工作量就会非常大。

所以，需要采取某些控制方法把主机从繁杂的IO控制事务中解脱出来，尽量减少主机对IO控制的干预，以便更多地去完成数据处理任务。

DMA（直接内存访问）

直接内存访问（DMA），是一种完全由硬件执行IO交换的工作方式。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和IO设备之间进行。 DMA一般用于高速传送成组数据。
DMA方式的主要优点是速度快。由于CPU根本不用参加传送操作，因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。

工作流程：
1、当外设准备好发送数据（输入）或接受数据（输出）时，它发出DMA请求。
2、CPU在指令周期执行结束后响应该请求，之后，CPU与系统总线脱离，而DMA控制器接管数据总线和地址总线，并向内存提供地址。
3、于是，在内存和外设之间进行数据交换，每交换一个字，则地址计数器和字计数器加“1”。
4、当计数值到达零时，DMA操作结束，DMA控制器向CPU提出中断报告。
5、CPU响应中断请求，停止主程序的执行，转去执行中断服务程序，做一些DMA的结束处理工作。

DMA的数据传送是以数据块为基本单位进行的，因此，每次DMA控制器占用总线后，无论是数据输入操作，还是输出操作，都是通过循环来实现的。当进行输入操作时，外设的数据（一次一个字或一个字节）传向内存；当进行输出操作时，内存的数据传向外设。

通道

DMA控制器的出现已经减轻了CPU对数据输入输出的控制，使得CPU的效率有显著的提高，但CPU每发出一条IO指令，也只能去读写一个连续的数据块，而当我们需要一次去读多个数据块且将他们分别传送到不同的内存区域，或者相反时，则必须由CPU分别发出多条IO指令及进行多次中断处理才能完成。（即有大量的IO请求，CPU的干预还是会很多），而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。

IO通道是DMA的发展，也是一种由硬件执行IO交换的方式，只不过IO通道是一个完全独立的处理器，专门用于IO操作，有自己独立的执行命令。
DMA方式：CPU每发出一条IO指令，只能完成一种IO操作，然后被中断。
通道方式：CPU只需要发出一条IO指令，就可以完成多种IO操作，之后被中断。

通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对IO设备的控制。通道程序是由一系列通道指令所构成的。通道指令与机器指令不同。

例如：当CPU要完成一组相关的读写操作及有关控制时，只需向IO通道发送一条IO指令，以给出其所要执行的通道程序的首地址和要访问的IO设备，通道接到该指令后，通过执行通道程序便可以完成CPU指定的IO任务。

下面是一个由六条通道指令所构成的简单通道程序。

该程序的功能是将内存中不同地址的数据写成多个记录。其中，前三条指令是分别将813~892中的80个字符和1034 ~1173中的140字符即5830 ~ 5889中的60个字符写成一个记录。

（1）程序直接访问方式跟循环检测IO方式，应该是一个意思吧，是最古老的方式。CPU和IO串行，每读一个字节（或字），CPU都需要不断检测状态寄存器的busy标志，当busy=1时，表示IO还没完成；当busy=0时，表示IO完成。此时读取一个字的过程才结束，接着读取下一个字。

（2）中断控制方式：循环检测先进些，IO设备和CPU可以并行工作，只有在开始IO和结束IO时，才需要CPU。但每次只能读取一个字。

（3）DMA方式：Direct Memory Access，直接存储器访问，比中断先进的地方是每次可以读取一个块，而不是一个字。

（4）通道方式：比DMA先进的地方是，每次可以处理多个块，而不只是一个块。