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摘要：當(dāng)輸入的時(shí)候，設(shè)備先將輸入的信息放到控制器中的數(shù)據(jù)寄存器中，等到攢到一定數(shù)量或者輸入完成后，一次性將數(shù)據(jù)拿走，提高了的運(yùn)行效率。設(shè)別狀態(tài)識(shí)別控制器會(huì)識(shí)別設(shè)備的工作狀態(tài)，將工作狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，供查用。
IO就是Input和Output的簡(jiǎn)稱，也就是輸入輸出。主要包括磁盤IO、網(wǎng)絡(luò)IO、鍵盤輸入，顯示器輸出、USB等操作。
輸入是從IO設(shè)備輸入到內(nèi)存中，輸出是從內(nèi)存中輸出到IO設(shè)備中。
CPU不會(huì)直接控制IO設(shè)備，而是通過IO控制器間接的控制IO設(shè)備。因?yàn)槭忻嫔嫌懈鞣N各樣的IO設(shè)備，操作方式都不太一樣，CPU無法直接控制IO設(shè)備。所以引入了IO控制器，也叫做設(shè)備控制器來間接控制IO設(shè)備。
IO控制器作為CPU和IO設(shè)備的中介，通過地址總線、控制總線與CPU相連。有以下作用：
1、數(shù)據(jù)緩沖
CPU和內(nèi)存等速度都非?？?，IO設(shè)備的速度比較慢，所以IO控制器設(shè)立緩沖區(qū)。
當(dāng)輸出的時(shí)候，CPU將數(shù)據(jù)放到IO控制器中的數(shù)據(jù)寄存器中，然后就可以去忙其他工作了，IO設(shè)備可以慢慢的從IO控制器中的數(shù)據(jù)寄存器中拿數(shù)據(jù)然后輸出。
當(dāng)輸入的時(shí)候，IO設(shè)備先將輸入的信息放到IO控制器中的數(shù)據(jù)寄存器中，等到攢到一定數(shù)量或者輸入完成后，CPU一次性將數(shù)據(jù)拿走，提高了CPU的運(yùn)行效率。
2、IO設(shè)別狀態(tài)識(shí)別
IO控制器會(huì)識(shí)別IO設(shè)備的工作狀態(tài)，將工作狀態(tài)保存到狀態(tài)寄存器中，供CPU查用。
3、控制IO設(shè)備
控制IO設(shè)備的讀取和寫入，定時(shí)等控制信號(hào)。
IO主要分為以下4類：程序查詢方式、中斷方式、DMA、通道，這四類效率依次是變高的。
我們接下來挨個(gè)仔細(xì)分析一下。
1、程序查詢方式
讀取數(shù)據(jù)時(shí)，CPU從設(shè)備控制器的狀態(tài)寄存器中查詢?cè)O(shè)備是否可用，如果不可用就一直輪詢查詢，直到可用為止。如果可用就發(fā)送讀取信號(hào)，然后輪詢查詢數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備號(hào)，如果準(zhǔn)備好就從數(shù)據(jù)寄存器中讀取數(shù)據(jù)到CPU中，然后將數(shù)據(jù)從CPU轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中。
寫數(shù)據(jù)時(shí)，CPU也是輪詢查看設(shè)備是否可用，如果可用就將數(shù)據(jù)從CPU寫入到數(shù)據(jù)寄存器中。
缺點(diǎn)： 程序查詢方式，CPU需要不斷的查詢，白白浪費(fèi)了CPU資源，CPU利用率低。
2、中斷驅(qū)動(dòng)
中斷驅(qū)動(dòng)是對(duì)程序查詢的改進(jìn)，中斷的意思就是CPU是可以被打斷的，硬件可以向CPU發(fā)送中斷命令，然后CPU會(huì)執(zhí)行對(duì)應(yīng)的中斷程序。
當(dāng)CPU請(qǐng)求IO時(shí)，就直接發(fā)送IO讀取的相關(guān)命令。如果當(dāng)前設(shè)備正被占用，就排隊(duì)，然后IO設(shè)備器會(huì)對(duì)依次對(duì)隊(duì)列中的進(jìn)行處理，處理完成后就發(fā)出中斷命令，打斷CPU原本的操作，轉(zhuǎn)而去執(zhí)行中斷程序，比如將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器轉(zhuǎn)到CPU，然后從CPU轉(zhuǎn)到內(nèi)存中。
優(yōu)點(diǎn)： 在IO的時(shí)候，CPU可以處理其他線程的工作，CPU的利用效率提高了
缺點(diǎn)： 在IO完成后，還是需要CPU將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，還是會(huì)占用一定的CPU。
3、DMA
DMA全稱為Direct Memory Access，也叫做直接存儲(chǔ)器訪問。DMA可以直接與內(nèi)存相連，也就是說IO設(shè)備可以直接與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，不要CPU的中轉(zhuǎn)了。
相較于中斷驅(qū)動(dòng)，DMA有了以下改進(jìn)：
1、以塊為單位進(jìn)行傳送
2、內(nèi)存和IO設(shè)備可以直接傳遞，不需要CPU的中轉(zhuǎn)。
3、CPU只需要在開始的時(shí)候發(fā)出CPU指令，在結(jié)束的時(shí)候DMA會(huì)發(fā)出中斷，CPU執(zhí)行相關(guān)的中斷程序就行了。
優(yōu)點(diǎn)： CPU只需要在開始的時(shí)候，指定從內(nèi)存和IO設(shè)備中的哪些位置進(jìn)行讀寫，進(jìn)一步增加了CPU的利用率。
缺點(diǎn)： DMA可以一次性讀取多個(gè)塊，但是在內(nèi)存和IO設(shè)備中必須是連續(xù)的。
如果牽扯到讀寫離散的塊，CPU必須發(fā)出多個(gè)IO指令。
4、通道
通道是一種硬件，自己就可以執(zhí)行IO命令，相當(dāng)于一個(gè)削弱版的小CPU，執(zhí)行的指令單一。
通道可以執(zhí)行IO指令，CPU只需要將相關(guān)的IO指令發(fā)送給通道控制器就可以了，通道會(huì)執(zhí)行IO指令，完成對(duì)應(yīng)的傳輸。
相較于DMA，DMA實(shí)現(xiàn)固定的數(shù)據(jù)傳送，而通道擁有著自己的指令和程序，具有更強(qiáng)的IO處理能力。
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