了解一下IO控制器与控制方式

IO控制器

CPU无法直接控制IO设备的机械部件，因此IO设备还要有个电子部件作为CPU和IO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IO控制器，又称为设备控制器。CPU可控制IO控制器，IO控制器来控制设备的机械部件。

IO控制器的功能

接收设备CPU指令：CPU的读写指令和参数存储在控制寄存器中
向CPU报告设备的状态：IO控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录IO设备的当前状态。（比如1代表设备忙碌，0代表设备就绪）
数据交换：数据寄存器，暂存CPU发来的数据和设备发来的数据，之后将数据发给控制寄存器或CPU。
地址识别：类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，需要给各个寄存器设置一个特定的地址。IO控制器通过CPU提供的地址来判断CPU要读写的是哪个寄存器。

IO控制器的组成

CPU与控制器之间的接口（实现控制器与CPU之间的通信），IO逻辑（负责识别CPU发出的命令，并向设备发出命令），控制器与设备之间的接口（实现控制器与设备之间的通信）
两种寄存器编址方式
**内存映射IO：**控制器中的寄存器与内存统一编制，可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作。
寄存器独立编制：控制器中的寄存器独立编制。需要设置专门的指令来操作控制器。

I/O控制方式

程序直接控制方式

CPU向IO模块发出读指令，CPU会从状态寄存器中读取IO设备的状态，如果是忙碌状态就继续轮询检查状态，如果是已就绪，就代表IO设备已经准备好，可以从中读取数据到CPU寄存器中（IO->CPU）读到CPU后，CPU还要往存储器（内存）中写入数据。写完后，再执行下一套指令。

CPU干预的频率：很频繁，IO操作开始之前、完成之后需要CPU的介入，并且在等待IO完成的过程中CPU需要不断的轮询检查。
数据流向

读操作（数据的输入）：IO设备->CPU->内存
写操作（数据的输出）：内存->CPU->IO设备
每个字的读写都需要CPU的帮助。
主要缺点和主要优点
优点：实现简单。在读写指令之后，加上实现循环检查的一些列指令即可。
缺点：CPU和IO设备只能串行化工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态，CPU利用率很低。

中断驱动方式

因为IO设备速度很快，CPU处理速度很快，因此在CPU发出读写命令后，可将等待IO的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当IO完成后控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序。这样就使得CPU与IO设备能够并行工作。

优点：与程序直接控制方式相比，在中断驱动方式中，IO控制器会通过中断信号主动报告IO已完成，CPU不再需要不停的轮询。CPU和IO设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点：每个字在IO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很多的CPU时间。

DMA（直接存储方式）

与中断驱动方式相比，DMA方式有以下改进。

数据的传送单位是“块”。
数据的流向是从设备直接放入内存，或者是从内存直接到设备。不在使用CPU作中间者。
仅仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU的干预。
CPU在读写之前要指明要读入多少数据、数据要存放在内存中的什么位置、数据放在外部磁盘的什么位置。
DMA控制器会根据CPU踢出的要求完成数据的读写操作，整块数据的传输完成后，才像CPU发出中断信号。

DR：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
MAR（内存地址寄存器）：再输入时，MAR表示数据应放在内存中的什么地方，输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
DC（数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数
CR(命令/状态寄存器)：用于存放CPU发来的IO命令，或设备的状态信息。
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的干预。

数据传送单位是以块为单位，每次读写一个或多个块（需要注意的是读写的只能是连续的块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）
数据的流向也不再需要CPU干预。

优点：数据传输效率以块为单位，CPU的介入性进一步降低。CPU和IO设备的并行性进一步提升。
缺点：CPU发出一条指令，只能读或写一个或多个连续的数据块。如果读或写的数据块不是连续存放的而是离散的，那么CPU要分别发出多条IO指令，进行多次中断处理才能完成。

通道控制方式

通道是一种硬件，可以理解为“弱鸡版的CPU”。通道只能执行一类通道指令。
因为通道与CPU相比的话，CPU能够处理的指令的种类比通道多，也就是说通道执行的指令单一，他与CPU共用主机的内存。

具体处理过程：
CPU将操作步骤告诉通道，通道程序会把操作的指令列在一个类似于“任务清单上”。然后剩下的事CPU就不参与了，等到通道把指令执行完后，发出一个中断，告诉CPU我处理完了，然后CPU在处理后续操作。

这时候的CPU就像一个每天忙碌的大老板，通道就是小组的组长之类的，老板很忙，把一些任务交给组长去做，做完后得汇报给老板。

使用这种方式CPU干涉的频率极低，通道会根据CPU的指示执行响应的通道程序，只有完成一组数据块的读写后才需要发出中断信号让CPU干预。

每次读写一组数据块。

优点：CPU 通道、IO设备可并行工作，资源利用率极高。
缺点:实现复杂，需要专门的通道硬件支持。

总结