IO控制方式

提前总结

三种IO控制方式

三种方式：

• 轮询等待

  • 原理：让CPU一直查寄存器状态
  • 缺点：占CPU全部时间，效率低

• 中断 - 硬中断

  • 原理：设备中断到硬件的中断控制器，中断控制器再通知CPU。 当中断产生后，CPU需要停下当前手里的事情来处理中断（插队式任务？）
  • 优点：不用占着CPU

• 中断 - 软中断

  • 原理：代码调用 INT 指令触发
  • 优点：(同)

• 直接内存访问 (DMA, Direct Memory Access)

  • 原理：需要有 「DMA 控制器」硬件的支持，将硬件到内存这一过程交给DMA，减少打断CPU和对CPU的使用次数。
  • 优点：硬件到内存这一过程，无需 CPU 参与
  • 结合中断使用：不互斥，结合中断使用。或者应该说，只是在前面中断的基础上，新增了直接内存访问个过程

两种通知CPU的方式

在前面我知道，每种设备都有一个设备控制器，控制器相当于一个小 CPU，它可以自己处理一些事情，但有个问题是，当 CPU 给设备发送了一个指令，让设备控制器去读设备的数据，它读完的时候，要怎么通知 CPU 呢？

(1) 轮询等待

控制器的寄存器一般会有状态标记位，用来标识输入或输出操作是否完成。于是，我们想到第一种轮询等待的方法，让 CPU 一直查寄存器的状态，直到状态标记为完成，很明显，这种方式非常的傻瓜，它会占用 CPU 的全部时间。

(2) 中断

那我们就想到第二种方法 —— 中断，通知操作系统数据已经准备好了。我们一般会有一个硬件的中断控制器，当设备完成任务后触发中断到中断控制器，中断控制器就通知 CPU，一个中断产生了，CPU 需要停下当前手里的事情来处理中断。

另外，中断有两种，一种软中断，例如代码调用 INT 指令触发，一种是硬件中断，就是硬件通过中断控制器触发的。

(3) 直接内存访问 (DMA, Direct Memory Access)

优点

但中断的方式对于频繁读写数据的磁盘，并不友好，这样 CPU 容易经常被打断，会占用 CPU 大量的时间。

对于这一类设备的问题的解决方法是使用 DMA（Direct Memory Access） 功能，它可以使得设备在 CPU 不参与的情况下，能够自行完成把设备 I/O 数据放入到内存。那要实现 DMA 功能要有 「DMA 控制器」硬件的支持。

原理


DMA 的工作方式如下：（序号和上图的序号一一对应。这个过程也用到了中断，是中断的基础上增加了 DMA 来处理磁盘到内存的拷贝）

1. CPU 需对 DMA 控制器下发指令，告诉它想读取多少数据，读完的数据放在内存的某个地方就可以了；
2. 接下来，DMA 控制器会向磁盘控制器发出指令，通知它从磁盘读数据到其内部的缓冲区中；
3. 接着磁盘控制器将缓冲区的数据传输到内存；
4. 当磁盘控制器把数据传输到内存的操作完成后，磁盘控制器在总线上发出一个确认成功的信号到 DMA 控制器；
5. DMA 控制器收到信号后，DMA 控制器发中断通知 CPU 指令完成，CPU 就可以直接用内存里面现成的数据了；

可以看到， CPU 当要读取磁盘数据的时候，只需给 DMA 控制器发送指令，然后返回去做其他事情，当磁盘数据拷贝到内存后，DMA 控制机器通过中断的方式，告诉 CPU 数据已经准备好了，可以从内存读数据了。仅仅在传送开始和结束时需要 CPU 干预。