操作系统-I/O（4）I/O控制方式

I/O控制的方式分为：

• 程序直接控制方式（最简单的I/O方式）

                  •    无条件传送：对简单外设定时（同步）进行数据传送

                  •    条件传送：CPU主动查询，直接通过查询程序控制主机和外设的数据交换，也称程序查询或轮询(Polling)方式

I/O设备将自己的状态放到设备控制器中的状态寄存器中，处理器向控制器发送一个I/O命令查询状态寄存器中的特定状态，如果设备未就绪，则重复测试过程，直至设备就绪，执行数据交换。等待I/O操作完成后，才可以继续其它操作。 

“探询”期间，可一直不断查询（独占查询） ，也可定时查询（需保证数据不丢失！）。

特点：（1）处理I/O请求会终止原程序的执行

           （2）CPU需要等待I/O设备就绪

           （3）CPU需要参与数据传送

           （4）CPU和设备只能串行工作，效率低下，适合于慢速设备

           （5）简单、易控制、外围接口控制逻辑少

           （6）查询开销大，CPU等待时出现踏步现象，并非处于停止状态，而在反复执行相同指令等待外设完成，称为忙等待。

例如：sys_write进行字符串打印的程序段大致过程如下：

状态寄存器内特定位为0表示READY，CPU继续等待直到就绪状态为1：打印机控制器的数据缓冲中内容已被取走，现为“空”，可接受新的打印字符。由打印控制器自动设置。

copy_string_to_kernel (strbuf, kernelbuf, n);  // 将字符串复制到内核缓冲区
for (i=; i < n; i++) {                // 对于每个打印字符循环执行
    while ( printer_status != READY); // 未就绪时，一直等待直到打印机状态为“就绪”
    *printer_data_port=kernelbuf[i]; // 向数据端口输出一个字符
    *printer_control_port=START;    // 发送“启动打印”命令
}
return_to_user ( );     // 返回用户态

打印AL寄存器中的字符：

• 中断方式

处理器向控制器发出一个I/O命令，启动外设进行第一个数据的I/O操作，然后继续执行后续指令。如果该进程支持异步的I/O（不需要等待I/O完成），后续指令可以仍是该进程中的指令。否则，该进程在这个中断上挂起，处理器执行其他工作。

在CPU执行其他进程的过程中，外设在对应设备控制器的控制下进行数据的I/O操作。控制器检查设备状态，就绪后发起中断，CPU响应中断，转向中断服务程序进行读写操作，CPU在中断服务程序中，再启动随后数据的I/O操作，然后中断返回，回到被打断的进程继续执行。此时，外设和CPU并行工作。

特点：（1）响应中断后会终止原程序的执行

           （2）CPU不需要等待I/O设备就绪

           （3）CPU需要参与数据传送（响应中断后）

           （4）CPU和设备部分并行操作，效率有所提高

           （5）中断服务程序指令比查询程序多，因为有很多额外开销

如图：CPU 在中断服务程序中，再启动随后数据的I/O操作，然后中断返回，回到被打断的进程继续执行。中断响应的过程看作执行了一段中断隐指令：保护断点、关中断、识别中断源

sys_write进行字符串打印的程序段:

copy_string_to_kernel ( strbuf, kernelbuf, n);// 将字符串复制到内核缓冲区
enable_interrupts ( );     // 开中断，允许外设发出中断请求
while ( printer_status != READY);   // 等待直到打印机状态为“就绪”
*printer_data_port=kernbuf[i];      // 向数据端口输出第一个字符
*printer_control_port=START;        //发送启动打印命令
scheduler ( );                     // 阻塞用户进程P，调度其他进程执行

在“字符打印”系统调用服务例程中启动打印机后，它就调用处理器调度程序scheduler来调出其他进程执行，而将用户进程P阻塞。

“字符打印”中断服务程序：

if (n==){
    unblock_user ( );  //若字符串打印完，则用户进程P解除阻塞，P进就绪队列
}
else{
    *printer_data_port=kernelbuf[i];    //向数据端口输出一个字符
    *printer_control_port=START;   //发送启动打印命令
    n = n-; // 未打印字符数减1
    i = i+; // 下一个打印字符指针加1
}
acknowledge_interrupt(); // 中断回答（清除中断请求）
return_from_interrupt();  // 中断返回

sys_write通过系统调用int $0x80调出来；中断服务程序通过中断请求调出来

• 直接存储器访问（DMA）方式

通过DMA模块来模仿处理器控制主存和设备控制器之间的数据交换（DMA控制器类似中断控制器，也是一种I/O接口）。

采用“请求-响应”方式：每当高速设备准备好数据就进行一次“DMA请求”，DMA控制器接受到DMA请求后，申请总线使用权。

处理器向DMA模块发出I/O命令，处理器继续执行其它工作，DMA模块负责传送全部数据。

适用于：（1）高速设备，如磁盘、光盘等

               （2）成批数据交换，且数据间间隔时间短，一旦启动，数据连续读写

DMA传送结束时，要通过DMA结束中断告知CPU

特点：（1）CPU不会终止原程序的执行

           （2）CPU只在数据传送的开始和结束时参与，与主存进行信息交换时不参与

                 （开始时，CPU需要对DMA模块进行初始化； 结束时，CPU响应中断，但不必保存现场）

DMA方式中的周期窃取：当DMA和CPU同时经总线访问内存时，CPU总是将总线的占有权让给DMA一个或几个主存周期。对延迟CPU与主存的数据交换影响不大，因为：

1. 数据传送过程是不连续的和不规则的
2. CPU大部分情况下与Cache进行数据交换，直接访问内存较少。仅在DMA控制器初始化和处理DMA结束中断时介入，在DMA传送过程中不参与，因而CPU用于I/O的开销非常小。

DMA控制器的总线使用优先级比CPU高

通过DMA方式读一个磁盘扇区的例子：

（1）CPU对DMA控制器初始化：将传送方向（读命令）、传送数据个数、磁盘逻辑块号、主存起始地址等参数送到DMA控制器

         发送”启动DMA传送“命令

         CPU送出控制字然后启动磁盘驱动器工作，CPU被操作系统调度执行其它进程。

（2）磁盘控制器读相应的扇区，并由DMA控制器控制总线把数据从磁盘控制器送主存，此时，CPU执行其他进程

（3）当DMA传送结束(计数为0)，DMA控制器向CPU发出DMA结束中断请求，要求CPU进行相应的后处理。

例子：采用DMA方式进行字符串输出

//sys_write进行字符串输出的程序段:
copy_string_to_kernel(strbuf, kernelbuf, n);  // 将字符串复制到内核缓冲区
initialize_DMA ( );     // 初始化DMA控制器（准备传送参数）
*DMA_control_port=START; // 发送“启动DMA传送”命令
scheduler ( );
// 阻塞用户进程P，调度其他进程执行

DMA控制器接受到“启动”命令后，控制总线进行DMA传送。通常用”周期挪用法“：设备每准备好一个数据，挪用一次”存储周期“，使用一次总线事务进行数据传送，计数器减1。计数器为0时，发送DMA结束中断请求

//DMA结束中断服务程序：
acknowledge_interrupt();     // 中断回答（清除中断请求）
unblock_user ( );            // 用户进程P解除阻塞，进入就绪队列
return_from_interrupt();     // 中断返回

DMA方式与程序中断方式对比：

DMA方式进一步减小了CPU对I/O操作的干预，但每发出一次I/O指令，只能读写一个数据块。若用户希望一次能够读写多个离散数据块，并把它们传送到不同的内存区域，则需要CPU发出多条启动I/O指令及进行多次I/O中断才能完成。

都需进行中断处理，中断控制方式：中断服务程序主要进行从数缓器取数或写数据到数缓器，然后启动外设工作

                                DMA控制方式：中断服务程序进行数据校验等后处理工作

• I/O通道，又称为通道控制器、I/O处理器

设备控制器包含自身专用的处理器和通道程序。 I/O指令不再由处理器执行，而是存在主存中，由I/O通道所包含的处理器执行，大大减少设备和CPU之间的逻辑联系，把CPU从琐碎的I/O操作中彻底解放出来，实现设备和CPU并行操作、通道之间并行操作、设备之间并行操作，达到提高整个系统效率的目的。

采用处理器、通道、控制器、设备四级连接，实施三级控制：一个CPU可以执行i/O指令连接若干通道（通过处理器、通道共用总线），一个通道可以执行通道命令连接若干控制器（通过下级总线），一个控制器可以发出动作序列连接若干设备

流程：

1. CPU在遇到I/O请求后，组织通道程序，置通道程序地址字CAW，启动指定通道，通道从CAW获得指定通道程序
2. 一旦启动成功，通道开始控制I/O设备进行操作， CPU执行其他任务，与通道并行工作
3. I/O操作完成后，I/O通道发出I/O操作结束中断，CPU停止当前工作，转向处理I/O操作结束事件

带有局部存储器的I/O通道，相当于一台自治的计算机，I/O指令存储在控制器自带的局部存储器中，并由I/O通道所包含的处理器执行，可以控制大量的I/O设备，同时最小化CPU的干涉，常用于交互式终端通信，负责包括控制终端在内的大部分任务。