操作系统中的IO控制方式详解

IO简介

IO就是Input和Output的简称，也就是输入输出。主要包括磁盘IO、网络IO、键盘输入，显示器输出、USB等操作。

输入是从IO设备输入到内存中，输出是从内存中输出到IO设备中。

IO控制器

CPU不会直接控制IO设备，而是通过IO控制器间接的控制IO设备。因为市面上有各种各样的IO设备，操作方式都不太一样，CPU无法直接控制IO设备。所以引入了IO控制器，也叫做设备控制器来间接控制IO设备。

IO控制器作为CPU和IO设备的中介，通过地址总线、控制总线与CPU相连。有以下作用： 1、数据缓冲 CPU和内存等速度都非常快，IO设备的速度比较慢，所以IO控制器设立缓冲区。 当输出的时候，CPU将数据放到IO控制器中的数据寄存器中，然后就可以去忙其他工作了，IO设备可以慢慢的从IO控制器中的数据寄存器中拿数据然后输出。 当输入的时候，IO设备先将输入的信息放到IO控制器中的数据寄存器中，等到攒到一定数量或者输入完成后，CPU一次性将数据拿走，提高了CPU的运行效率。 2、IO设别状态识别 IO控制器会识别IO设备的工作状态，将工作状态保存到状态寄存器中，供CPU查用。 3、控制IO设备 控制IO设备的读取和写入，定时等控制信号。

IO分类

IO主要分为以下4类：程序查询方式、中断方式、DMA、通道，这四类效率依次是变高的。 我们接下来挨个仔细分析一下。 1、程序查询方式

读取数据时，CPU从设备控制器的状态寄存器中查询设备是否可用，如果不可用就一直轮询查询，直到可用为止。如果可用就发送读取信号，然后轮询查询数据是否准备号，如果准备好就从数据寄存器中读取数据到CPU中，然后将数据从CPU转移到内存中。

写数据时，CPU也是轮询查看设备是否可用，如果可用就将数据从CPU写入到数据寄存器中。

缺点： 程序查询方式，CPU需要不断的查询，白白浪费了CPU资源，CPU利用率低。

2、中断驱动

中断驱动是对程序查询的改进，中断的意思就是CPU是可以被打断的，硬件可以向CPU发送中断命令，然后CPU会执行对应的中断程序。

当CPU请求IO时，就直接发送IO读取的相关命令。如果当前设备正被占用，就排队，然后IO设备器会对依次对队列中的进行处理，处理完成后就发出中断命令，打断CPU原本的操作，转而去执行中断程序，比如将数据从数据寄存器转到CPU，然后从CPU转到内存中。

优点： 在IO的时候，CPU可以处理其他线程的工作，CPU的利用效率提高了 缺点： 在IO完成后，还是需要CPU将数据转移到内存中，还是会占用一定的CPU。

3、DMA DMA全称为Direct Memory Access，也叫做直接存储器访问。DMA可以直接与内存相连，也就是说IO设备可以直接与内存交换数据，不要CPU的中转了。

相较于中断驱动，DMA有了以下改进： 1、以块为单位进行传送 2、内存和IO设备可以直接传递，不需要CPU的中转。 3、CPU只需要在开始的时候发出CPU指令，在结束的时候DMA会发出中断，CPU执行相关的中断程序就行了。

优点： CPU只需要在开始的时候，指定从内存和IO设备中的哪些位置进行读写，进一步增加了CPU的利用率。

缺点： DMA可以一次性读取多个块，但是在内存和IO设备中必须是连续的。

如果牵扯到读写离散的块，CPU必须发出多个IO指令。

4、通道

通道是一种硬件，自己就可以执行IO命令，相当于一个削弱版的小CPU，执行的指令单一。

通道可以执行IO指令，CPU只需要将相关的IO指令发送给通道控制器就可以了，通道会执行IO指令，完成对应的传输。

相较于DMA，DMA实现固定的数据传送，而通道拥有着自己的指令和程序，具有更强的IO处理能力。