I/O设备的概念和分类I/O控制器及其I/O控制方式

Posted 2021-12-24 bfhonor

一、I/O设备的基本概念与分类

（一）什么是I/O设备？

• “I/O” 就是 “输入/输出”（Input/Output）
• I/O 设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。
  
• UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。
• Write操作：向外部设备写出数据
• Read操作：从外部设备读入数据

（二）按使用特性分类

（三）按传输速率分类

（四）按信息交换的单位分类

二、I/O控制器

（一）机械部件

• I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。
  如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。

（二）电子邮件（I/O控制器，设备控制器）

• I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
• CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。
• 这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。
  

1. I/O控制器的组成

• 值得注意的小细节：
  ①、一个I/O控制器可能会对应多个设备；
  ②、数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

2. 内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址

三、I/O控制方式

• 用什么样的方式来控制I/O设备的数据读/写？？

（一）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）
  
  

1. 完成一次读/写操作的流程（Key word：轮询）
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I/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
   ①、读操作（数据输入）：I/O设备→CPU(指的是CPU的寄存器)→内存
   ②、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. 主要缺点和主要优点
   ①、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”）
   ②、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

（二）中断驱动方式

1. 完成一次读/写操作的流程（Key word：中断）
2. CPU干预的频率
   ①、每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
   ②、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
   ①、读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存
   ②、写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
   ①、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。
   ②、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。

（三）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。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进：
  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。不再需要CPU作为“快递小哥”。
  ③、仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。
  
  

1. 完成一次读/写操作的流程（见右图）
2. 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干预。
3. 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）
4. 数据的流向（不再需要经过CPU）
   ①、读操作（数据输入）：I/O设备→内存
   ②、写操作（数据输出）：内存→I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
   ①、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。
   ②、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。

（四）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. 完成一次读/写操作的流程
2. CPU干预的频率
   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干预。
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）
   ①、读操作（数据输入）：I/O设备→内存
   ②、写操作（数据输出）：内存→I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
   ①、缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
   ②、优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。