I/O设备的概念和分类I/O控制器及其I/O控制方式

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了I/O设备的概念和分类I/O控制器及其I/O控制方式相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

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。

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