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【操作系统学习笔记】文件管理1.3

参考书籍: 王道考研
视频地址: Bilibili

I/O 控制方式

• 程序直接控制方式
• 中断驱动方式
• DMA 方式
• 通道控制方式

程序直接控制方式

关键词: 轮询

1. 完成一次读/写操作的流程
   1. CPU 向控制器发出读指令。于是设备启动，并且状态寄存器设为1
   2. 轮询检查控制器的状态
   3. 输入设备准备好数据后将数据传给控制器，并报告自身状态
   4. 控制器将输入的数据放到数据寄存器中，并将状态改为0
   5. CPU 发现设备已就绪，即可将数据寄存器中的内容读入 CPU 的寄存器中，再把 CPU 寄存器中的内容放入内存
   6. 若还要继续读入数据，则 CPU 继续发出读指令
2. CPU 干预的频率: 很频繁，I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入，并且在等待 I/O 完成的过程中 CPU 需要不断的轮询检查
3. 数据传送的单位: 每次读/写一个字
4. 数据的流向
   1. 读操作: I/O 设备 -> CPU -> 内存
   2. 写操作: 内存 -> CPU -> I/O 设备
   3. 每个读/写都需要 CPU 的帮助
5. 主要优缺点
   1. 实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可
   2. CPU 和 I/O 设备只能串行工作，CPU 需要一直轮询检查，长期处于忙停状态，利用率低

中断驱动方式

关键词: 中断

引入中断机制。由于 I/O 设备速度很慢，因此在 CPU 发出读/写命令后，可将等待 I/O 的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当 I/O 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处理该中断。处理中断的过程中，CPU 从 I/O 控制器读一个字的数据传送到 CPU 寄存器，再写入主存。接着，CPU 恢复等待 I/O 的进程的运行环境，然后继续执行

• CPU 会在每个指令周期的末尾检查中断
• 中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能

1. 完成一次读/写操作的流程
2. CPU 干预的频率: 每次 I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入。等待 I/O 完成的过程中 CPU 可以切换到别的进程执行
3. 数据传送的单位: 每次读/写一个字
4. 数据的流向
   1. 读操作: I/O 设备 -> CPU -> 内存
   2. 写操作: 内存 -> CPU -> I/O 设备
5. 主要优缺点
   1. 与"程序直接控制方式"相比，再"中断驱动方式"中，I/O 控制器会通过中断信号主动报告 I/O 已完成，CPU 不再需要不停的轮询；CPU 和 I/O 设备可以并行工作，CPU 利用率得到明显提升
   2. 每个字在 I/O 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较多的 CPU 时间

DMA 方式

与中断驱动方式相比，DMA方式直接进行存储器存取。主要用于块设备的 I/O 控制

• 数据的传送单位是块。不再是一个字的传送
• 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到数据，不再需要 CPU 作为中介
• 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要 CPU 干预

DMA 控制器是一种特殊的 I/O 控制器。也由主机-控制器接口、I/O 控制逻辑、块设备-控制器接口。在主机-控制器接口中由DR（数据寄存器：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：在输入时，MAR 表示数据应放到内存中的什么位置；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 I/O 命令，或设备的状态信息）等。DMA 控制器不是每次直接读一整块，也是一个字一个字来读取写入 DR

1. 完成一次读/写操作的流程
2. 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 干预
3. 数据传送的单位: 每次读/写一个或多个块（每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）
4. 数据的流向
   1. 读操作: I/O 设备 -> 内存
   2. 写操作: 内存 -> I/O 设备
5. 主要优缺点
   1. 数据传输以块为单位，CPU 介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过 CPU 再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU 和 I/O 设备的并行性得到提升
   2. CPU 每发出一条 I/O 指令，只能读/写一个或多个连续的数据块

通道控制方式

通道: 一种硬件，可以理解为弱化版 CPU 。通道可以识别并执行一系列通道指令

1. 完成一次读/写的流程
   1. CPU 向通道发出 I/O 指令。指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个 I/O 设备。之后 CPU 就切换到其他进程执行了
   2. 通道执行内存中的通道程序（其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的什么位置等信息）
   3. 通道执行完规定的任务后，向 CPU 发出中断信号，之后 CPU 对中断进行处理
2. CPU 干预的频率: 极低，通道会根据 CPU 的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求 CPU 干预
3. 数据传送的单位是一组块
4. 数据的流向
   1. 读操作: I/O -> CPU
   2. 写操作: CPU -> I/O
5. 主要优缺点
   1. CPU、通道、I/O 设备可并行工作，资源利用率高
   2. 实现复杂，需要专门的通道硬件支持