I/O设备管理
目录
一、I/O控制器的组成
1、I/O控制器工作的过程
2、寄存器的统一编址和独立编址
二、I/O控制方式
1、程序直接控制方式：
2、 中断控制
3、DMA方式
4、通道控制方式
一、I/O控制器的组成
CPU接口 - I/O逻辑-设备接口（设备可以有多个，连接多个设备）
CPU接口：负责CPU和控制器的通信 I/O逻辑：负责识别CPU的命令，并负责对设备发出命令 设备接口：负责设备和控制器的通信
1、I/O控制器工作的过程
当CPU要对某个设备进行输出时， 首先使用地址线发送信息，指明要对哪个设备进行操作 使用控制线发送信息，指明要对设备做什么操作 再用数据总线，向控制器自带的数据寄存器输入数据 之后，I/O逻辑区就可以从数据寄存器中读取数据，将之发送到对应的设备中 同时，CPU在数据的传输过程中，还需有一些控制参数 这些参数发送给控制寄存器 同时，CPU为了及时实时掌握设备的状态，还通过状态寄存器读取各个设备的状态情况等信息 因此，各个设备还需将自己的状态不断的向状态寄存器写入，以便CPU读取
此外，由于控制器可以有多个设备接口 可是设备很多，不可能所有设备都共同使用一个控制器 因此，需要同时存在多个控制器，对不同的设备进行分别管理
有多个控制器，就有多个寄存器 这就涉及对寄存器进行编址以识别的问题 怎么编？ 两种方式：内存统一编址和寄存器独立编址
2、寄存器的统一编址和独立编址
内存统一编址： 和内存一样的编址方式 例如内存的编址是从0-n个地址 设备控制器0： 寄存器0：地址为n+1 寄存器1：地址为n+2 寄存器2：地址为n+3 设备控制器1： 寄存器0：地址为n+3 寄存器1：地址为n+4 寄存器2：地址为n+5 …. 所有寄存器按统一的顺序进行编排 以此类推 这种方式的优点是：不需要单独设计专门的访问控制指令 只需要和内存访问指令一致就可以
寄存器独立编址： 设备控制器的三个寄存器： 寄存器0：0 寄存器1：1 寄存器2：2 设备控制器1的三个寄存器： 寄存器0：0 寄存器1：1 寄存器2：2 设备控制器2的三个寄存器： 寄存器0：0 寄存器1：1 寄存器2：2 每一个控制器内部独立的进行编址 如此类推 这种方式的缺点是：需要设计单独的访问控制指令 因为在访问寄存器之前， 还需要指明到底是哪一个设备控制器的设备
二、I/O控制方式
有四种方式：程序直接控制、中断驱动、DMA、通道控制
1、程序直接控制方式：
1、读/写操作
（注意，首先要清晰设备控制器的各个部件结构和对应功能） 当要读一个设备时， 第一步，CPU向控制器发出读指令，设备启动，并且将设备状态寄存器设为1（表示忙碌） 可是，外部设备的数据传输速度很慢，因此 第二步，CPU不断的对设备状态寄存器进行轮询 如果设备状态寄存器一直是1，说明设备还在忙碌，数据还没有传输完，于是CPU等待 第三步，输入设备的数据传输完毕，并将设备状态寄存器设置为0，表示传输完毕 第四步，CPU检测到设备状态为0（表明已就绪），从数据寄存器读取数据，读到CPU自己的寄存器，再送到内存
2、CPU干预频率 很频繁，因为CPU需要不断的进行轮询
3、数据传输单位一个字节
4、数据流向 读操作：I/O设备->CPU->内存 写操作：内存->CPU->I/O设备
5、优缺点 优点：简单，只需要写循环语句即可 缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，且CPU利用率低
2、 中断控制
程序直接控制方式对于CPU利用率很低 因为CPU要一直等待设备 那可不可以不等？ 可以， 这就是中断控制方式： 即不要让CPU去等设备 而是在设备比较忙的时候，去做别的事情 当设备完成时，再向CPU发出中断， 此时，CPU响应中断，再转回来处理事务 因此，CPU会在每个指令周期的末尾检查中断 （注意：每一个中断处理，只能从控制器读取一个字节的数据送到CPU寄存器，再写入内存 而后恢复中断，执行其他任务）中断处理中，仅仅读取一个字节的数据！！！ 务必注意！！！ 因此，如果中断太多，CPU效率也会很低
1、读写操作 和程序直接控制方式一样
2、CPU干预频率 每次I/O操作开始前，完成后都需要CPU参与等待过程中切换到其他任务
3、数据传送单位 每次读/写一个字节
4、数据流向 读操作：I/O设备->CPU->内存 写操作：内存->CPU->I/O设备
5、优缺点 优点：不需要轮询，效率更高，设备和CPU可以并行工作 缺点：每一次只能传输一个字节的数据，而且都需要CPU控制 频繁的中断处理消耗很大
3、DMA方式
中断处理克服了轮询的CPU效率低 可是每一次中断处理只能处理一个字节 效率实在是低 有没有什么新的方式，可以避免每一次CPU只能传送一个字节的数据？ 可以不可以一次多传送几个数据呢？ 答案是可以 这就是DMA方式，直接存储器方式 如何实现？ 1、数据传送单位是”块“，即使用块设备 2、不需要CPU参与，设备和内存直通，直接抵达（用物理电线连接） 3、只有在数据传送的开始和结束时间才需要CPU干预
DMA通道模式结合了中断的优点 但CPU向设备读取数据时 过程和程序直接控制方式一样 但是，CPU不会等待，而是去执行其他任务 当设备完成数据传输，控制器向CPU发出中断，进行相关操作
DMA控制方式，单独对应一个DMA控制器 其结构如下：
其中：DR数据寄存器：暂存数据的地方MAR内存地址寄存器：输入时，表示数据存放在内存什么位置；输出时，表示数据存放在外部设备的什么位置DC数据计数器：指明需要读/写的数据字节数CR命令/控制寄存器：存放CPU发出的I/O命令，或者设备状态信息 （注意：事实上，设备和内存之间的数据传输本质上还是一个字节一个字节的进行 这整个过程，都是通过DMA控制器进行的）
1、读写操作 和中断控制方式一样
2、CPU干预频率 仅仅在数据传送的开始和结束才需要CPU干预
3、数据传输单位 一个数据块/多个数据块 （注意：如果是多个数据块，则必须要求数据块连续，连续读，连续存，即不支持离散存取）
4、数据流向（不需要经过CPU） 因为在控制器和内存之间有直接的系统总线进行物理连接 因此，数据可以直接在设备和内存之间进行传输 读：I/O设备->到内存 写：内存->I/O设备
5、优缺点
优点：数据传输以块为单位，且CPU不需介入 数据传输效率提高，CPU效率提高，CPU和I/O设备并行性提高 缺点：每一次只能读/写一个或者多个连续的数据块 也就是说，不能读/写分散的数据块，或者将数据块存放到不同的位置，只能连续 如果要实现上述的操作，则只能CPU进行多次操作
4、通道控制方式
有缺点，就会有人改进 于是，为了克服DMA的不能离散存储的问题， 就有了一个新的控制方式：通道控制方式
1、读写操作 通道本质是一个硬件，可以理解为简单版CPU（通道=丐版CPU） 通道这个硬件可以识别并且执行一系列的通道指令 也就是说，在内存中会存在一个叫做通道程序的系列指令集合（通道程序=序列指令集合） 当CPU要对某个设备进行操作时 首先向通道发出指令，说明通道程序在哪里，要对哪个设备进行操作，而后CPU执行其他任务剩下的事情交给通道来处理 此时通道已经知道通道程序在哪里，要操作哪个设备 剩下的，就是去调用通道程序即可 通道程序的信息有：读/写多少操作、读/写到哪里等信息 执行完毕通道程序后，向CPU发出中断信号 CPU介入处理，搞完撒花 注意：通道需要访问内存，因此通道和内存共享内存
2、CPU干预频率 很低，只有两个参与过程： CPU发出指令，通道执行完后CPU处理中断
3、数据传输单位 每次读/写一组数据块
4、数据流向（通道控制） 读：I/O设备->内存 写：内存->I/O设备
5、优缺点
缺点：实现复杂，需要通道硬件支持 优点：CPU、I/O设备、通道而可并行过工作，资源利用率高
一个通道可以控制多个I/O控制器 一个I/O控制器可以控制多个设备