IO相关的知识点：输入输出控制方式

前言： 博主最近在温习操作系统原理相关的知识点,分享给那些志同道合的朋友,某些地方如果存在争议的，欢迎加Q讨论。计算机的知识实在是太多太多了，像个无底洞，不专门做学术研究，博主觉得对它的了解还是适可而止。

简介： 我们都知道计算机分为五大基本部件：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中，IO设备主要是由设备控制器和设备本身共同组成,其中设备控制器是集成在电路板上的一块芯片或者一组芯片，主要用于接收,识别从cpu发来的命令,并控制IO设备工作。每个控制器都有少量的用于通信的寄存器,每个寄存器表现为一个IO端口(1-65535）,这些所有的寄存器组合成为设备的IO地址空间。在有些计算机当中，设备的寄存器被直接映射进操作系统的地址空间,因此操作系统可以直接通过IO端口与硬件交互,由后端对应的设备驱动将其转换为对应的特定操作。在另一些计算机中,如果没有映射方式,通常虚拟化为cpu的io指令,然后供驱动程序对硬件进行读写操作。今天我们来讨论一下cpu是如何管理外围设备的输入输出的。输入输出控制方式
一般而言，CPU管理外围设备的输入输出控制方式有5种：程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式、外围处理机方式，前两种方式由软件实现，后三种方式由硬件实现。程序查询方式（忙等） 程序查询方式是早期计算机中使用的一种方式，CPU与外围设备的数据交换完全依赖于计算机的程序控制。 在进行信息交换之前，CPU要设置传输参数、传输长度等，然后启动外设工作，与此同时，外设则进行数据传输的准备工作；相对于CPU来说，外设的速度是比较低的，因此外设准备数据的时间往往是一个漫长的过程，而在这段时间里，CPU除了循环检测外设是否已准备好之外，不能处理其他业务，只能一直等待；直到外设完成数据准备工作，CPU才能开始进行信息交换。这种方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够完全同步，硬件结构也比较简单。但是，外围设备的动作通常很慢，程序进行循环查询白白浪费了的CPU时间，数据传输效率低下。
程序中断方式 即当CPU进行主程序操作时，外设的数据已存入输入端口的数据寄存器；或端口的数据输出寄存器已空，由外设通过接口电路向CPU发出中断请求信号，CPU在满足一定的条件下，暂停执行当前正在执行的主程序，转入执行相应能够进行输入/输出操作的子程序，待输入/输出操作执行完毕之后CPU即返回继续执行原来被中断的主程序。中断处理示意图如图7-2所示，由图可见，CPU只是在外围设备A、B、C的数据准备就绪后，才去执行对应的中断服务程序，进行数据交换；而当低速的外围设备准备自己的数据时，CPU则照常执行自己的主程序。从这个意义上说，CPU和外设的一些操作是异步并行进行的，因而与串行进行的程序查询方式相比，计算机系统的效率的确是大大提高了。


CPU只有在当前一条指令执行完毕后，即转入公操作时，才会受理外围设备的中断请求。为了在中断服务程序执行完毕以后，能够正确地返回到原来主程序被中断的地方（断点）继续执行，必须把程序计数器PC的内容，以及当前指令执行结束后CPU的状态（包括寄存器的内容和一些状态标志位）都保存到堆栈中去，这些操作称为保存现场；在中断服务程序执行完毕后，需要执行恢复现场操作，从堆栈中恢复PC内容和CPU状态，以便从断点处继续执行主程序。中断处理过程是由硬件和软件结合来完成的，中断周期由硬件实现，而中断服务程序则由机器指令序列实现。附：中断处理分为两个半部：中断上半部(tophalf)，中断下半部(bottom half)。中断是一个十分霸道的东西，处理器一旦接收到中断，就会打断正在执行的代码，调用中断处理函数。但是正在执行的代码比产生中断的代码更重要怎么办呢,于是就有了上下半部之说，上半部尽可能快的响应中断，下半部处理比较复杂的过程。如果一个任务对时间十分敏感或者如果一个任务和硬件有关，或者如果一个任务要保证不被其他中断打断，将其放在上半部；其他所有任务，考虑放在下半部
DMA方式 DMA方式是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在主存和I/O设备之间进行。DMA控制器向主存发出地址和控制信号，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。DMA方式控制简单，适用于高数据传输率设备进行成组传送。DMA方式的主要优点是速度快，由于CPU不参加传送操作，因此省去了CPU取指令、取数、送数等操作，也没有保存现场、恢复现场之类的工作。而且，主存地址的修改、传送字个数的计数等也不由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。所以，DMA方式能够满足高速I/O设备的要求，也有利于CPU效率的发挥，一般用于高速传送成组数据。DMA方式的工作过程如下：首先，当要求通过DMA方式传输数据时，DMA控制器向CPU发出请求，CPU释放总线控制权，交由DMA控制器管理；然后，DMA控制器向外设返回一个应答信号，外设与主存开始进行数据交换；最后，当数据传输完毕后，DMA控制器把总线控制权交还给CPU。在这种方式下，DMA控制器与CPU分时使用总线，其时间图如图7-7所示。


在DMA方式中，批量数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，仍由CPU通过执行管理程序来承担，DMA控制器只负责具体的数据传送工作。博主前面转载了几篇关于DMA相关知识点的，有兴趣的同学可以翻翻博客。

通道方式
DMA方式的出现减轻了CPU对I/O操作的控制，使得CPU的效率显著提高，而通道出现则进一步提高了CPU效率。通道是一个具有特殊功能的处理器，又称为输入输出处理器（IOP），是计算机系统中代替CPU管理控制外设的独立部件。它有自己的指令和程序，专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU在将“传输控制”功能下放给通道后只负责“数据处理”功能。这样，通道与CPU分时使用主存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。它分担了CPU的一部分功能，可以实现对外围设备的统一管理，完成外围设备与主存之间的数据传送。通道的基本功能是执行通道指令，组织外围设备和主存进行数据传输，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等。CPU通过执行I/O指令以及处理来自通道的中断，实现对通道的管理。来自通道的中断有两种，一种是数据传送结束中断，另一种是故障中断。通道使用通道指令控制设备控制器进行数据传送操作，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态。因此，设备控制器是通道对I/O设备实现传输控制的执行机构。通道方式大大提高了CPU的工作效率，然而这种效率的提高是以增加更多的硬件为代价的。

外围处理机方式外围处理机（Peripheral Processor Unit，PPU）方式是通道方式的进一步发展。PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近于一般的处理机，甚至就是微小型计算机。在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担I/O控制、通信、维护诊断等任务，从某种意义上说，这种系统已经变成了分布式多机系统。综上所述，计算机外围设备的输入/输出方式如图7-1表示。其中，程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外围设备，而DMA方式、通道方式和外围处理机方式则适用于数据传输率比较高的外围设备。


结尾：以后我也会慢慢更新虚拟化以及大数据方面的东西，不过这些也是先从原理出发，再到实践，以及经验分享