Linux内核：IO设备通信的控制方式

IO设备与主机（CPU、内存）之间的通信不是直接的，而是通过设备控制器，设备控制器是IO设备和主机之间的中介。IO设备和进程之间的数据传送方式主要有4种：

1.程序控制方式：又被称为“忙等”模式，即当要在内存和IO设备之间进行信息传输时，由CPU向相应的设备发出命令，由设备控制器控制IO设备进行实际操作。在IO设备工作时，CPU执行一段循环测试程序，不断测试IO设备的完成状况，根据完成状况决定下一步操作。在此期间，CPU只能等待IO设备完成所有的数据传输，CPU和设备只能串行工作，并不能进行其他操作。

缺点：CPU计算和IO设备搬运数据二者任何时刻只能有一个活动，显然导致大量的资源被浪费掉，系统的性能可想而知。

2.中断控制方式：当前很多IO操作的主流设计思想，配合分时多任务系统的很自然的设计思想，CPU向相应的IO设备发出读写命令后，不必等待而转向执行其他进程，由设备控制器控制IO设备完成所有的实际操作，然后当前进程放弃对CPU的占用，进入休眠等待状态。

IO设备完成单次数据传输并会主动出发一次中断信号（单次传输数据量是设备控制器的数据缓冲寄存器的容量，如磁盘单次读取容量便是一个扇区，如果一次要读入一个磁盘块的大小数据，则需要中断2次…），通知CPU本次IO完成，然后CPU会将控制权转向中断处理程序，让其对此情况作出相应反应，以硬盘中断处理程序为例：

缺点：很明显，中断控制方式受限于设备的单次运输量，如果对于一次有较大数据需求的IO请求，则会在IO运行过程中被划分成若干的小块进行传输，中断次数很多，每次中断CPU都要运行中断处理程序，上下文环境的保存和恢复显然会让CPU耗费不少精力。

3.DMA方式：针对中断控制方式面对大量数据请求出现的中断次数过多的问题，可以增加硬盘配备的数据缓冲寄存器数量以增加单次搬运的数据量（但是这种做法仔细一想并非最优，一方面增加寄存器数量成本上升，另一方面若是对于小量数据请求，比如100KB，若增加硬盘的单次传输量为4MB，显然也是会造成时间浪费的，并且磁盘扇区、磁盘单次传输量、内存页帧这些参数是彼此对应的，牵一发动全身，不能乱改）。

故而DMA（direct memory access)设计思想就是配置一个DMA控制器，当存在单次大批量数据请求时，在内存和IO设备之间搭建直接沟通的桥梁，绕过操作系统为设备提供的缓冲池，省的在内存中二次搬运，由DMA控制器控制数据传输。

DMA工作方式：当某一进程提出一次单次大批量数据请求，则首先CPU规划好这批数据在进程的虚拟空间的位置，并事先完成虚拟内存到实际内存的映射关系（虚拟内存那端肯定是连续的堆空间，而实际内存这段操作系统一般也会尽可能在DMA区中划分出连续的实际内存空间以匹配），然后CPU将规划好的内存起始地址和size发送给DMA控制器中的内存地址寄存器和size计数器，然后由DMA控制器驱动硬盘驱动程序完成本次全部的IO请求，直到输入完成后，DMA控制器才发出中断信号告知CPU激活中断程序完成中断处理。

可以看到DMA的功能类似于包工头，指挥一群搬运工（单次磁盘驱动）向一个仓库（DMA连续内存段）批量完成搬运工作。但是DMA依旧不太智能，比如内存起始地址和搬运size等都需要CPU经过事先的规划，而且需要CPU自己去仓库提选合适数据。

缺点：DMA的运行过程可以看到对于内存的划分存在极强的连续性要求，虽然x86将0~16M的物理页面专门划分出来用于IO设备的DMA处理，但是显然这种方式对内存使用方式较为僵硬，整体的协调逻辑较为复杂）

4.通道控制方式：DMA控制方式虽然解决了批数据传输问题，但是CPU还是要费心对DMA进行指导和中断处理。为了提高计算系统的运行效率，CPU应该专职计算而非这些简单但是繁琐的IO事务，通道控制方式便是引入一个功能较为简单的协处理机，它可以接受CPU发来的IO命令，通道作为处理机也有自己的一套指令集，可以独立执行通道程序，对IO设备进行控制。

IO通道的指令集较为单一，因为通道的目的单一即为IO操作，故而硬件设计也简单（降低成本），所以能执行的命令主要局限于IO操作相关，此外通道并没有自己的内存，通道要执行的通道程序是放在主机内存中的，通道要和CPU共享内存。取自《操作系统原理及应用》教材的图用以演示通道的工作原理。



Fig.1 CPU和通道间的通信协同关系

可以看到通道相当于包工头+账房先生的合体，不仅负责搬而且负责简单的算，这种情况下，对于内存的连续性要求并没有DMA那么强了，“通道”先生可以知道在指定的内存位置存放指定的数据。

通道的引入使CPU可以专心计算，而把IO任务完全交给通道完成，二者各负其责。二者分工使得计算和IO操作可以并行，即CPU和设备并行工作，从而提高资源的利用率。而通道是直接负责IO设备的读取，故而根据负责的IO设备和调度方式不同可以做如下分类：

a. 字节多路通道：以字节为单位传输，可连接若干IO设备，按照时间片轮转方式分时执行；

b. 数组选择通道：以数组（多个字节）为单位传输，从而数据传输速率高，通常连接高速设备，如磁盘机。 这种通道以串行方式执行通道程序，独占使用；

c. 数组多路通道：相比于数组选择通道的独占串行方式，改成时间片轮转分时（并发执行多个通道程序）。



Fig.2 具有通道的I/O系统结构

对于Linux系统而言第2,3种IO控制方式是主流采用的，通道控制方式虽然更高效，但是由于需要添加专门的通道协处理器，故而成本较高，常用于专用场景。