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。

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