控制系統(tǒng)有哪幾種控制方式

一、導讀

為了有效地實現(xiàn)物理I/O操作，必須通過硬件和軟件技術，對 CPU 和 I/O 設備的職能進行合理的分工，以調節(jié)系統(tǒng)性能和硬件成本之間的矛盾。

隨著計算機技術的發(fā)展，I/O 控制方式也在不斷發(fā)展。選擇和衡量 I/O 控制方式有如下三條原則：

(1) 數(shù)據(jù)傳送速度足夠快，能滿足用戶的需求但又不丟失數(shù)據(jù);

(2) 系統(tǒng)開銷小，所需的處理控制程序少

(3) 能充分發(fā)揮硬件資源的能力，使 I/O 設備盡可能忙，而 CPU 等待時間盡可能少。

按照I/O控制器功能的強弱以及和 CPU 之間聯(lián)系方式的不同，可以把 I/O 設備的控制方式和通道控制方式分為四類：直接程序控制方式、中斷驅動控制方式、直接存儲器訪問(DMA)控制方式和通道控制方式。I/O控制方式發(fā)展的目標是盡量減少CPU對 I/O 控制的干預，把CPU從繁雜的 I/O 控制事務中解脫出來，以便更多地進行數(shù)據(jù)處理，提高計算機效率和資源的利用率。它們之間的主要差別在于 CPU 與外圍設備并行工作的方式和程度不同。

二、I/O控制方式

1、直接程序控制方式

直接程序控制方式由用戶進程直接控制主存或 CPU 和外圍設備之間的信息傳送。直接程序控制方式又稱為詢問方式，或忙/等待方式。通過 I/O 指令或詢問指令測試 I/O 設備的忙/閑標志位，決定主存與外圍設備之間是否交換一個字符或一個字。

直接程序控制方式流程圖

流程圖概述直接程序控制方式的工作流程如下：

① 當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，通過 CPU 向控制器發(fā)出一條 I/O 指令，啟動設備輸入數(shù)據(jù)，同時把狀態(tài)寄存器中的忙/閑狀態(tài) busy 置為1

② 用戶進程進入測試等待狀態(tài)，在等待過程中，CPU 不斷地用一條測試指令檢查外圍設備狀態(tài)寄存器中的 busy 位，而外圍設備只有在數(shù)據(jù)傳入控制器的數(shù)據(jù)寄存器之后，才將該 busy 位置為0,。

③ 處理器將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出，送入主存指定單元，完成一個字符的I/O操作，接著進行下一個數(shù)據(jù)的 I/O 操作

直接程序控制方式雖然簡單，不需要多少硬件的支持，但由于高速的 CPU 和低速的 I/O 設備之間的速度上不匹配，因此，CPU 與外圍設備只能串行工作，使 CPU 的絕大部分時間都處于等待是否完成 I/O 操作的循環(huán)測試中，造成 CPU 的極大浪費，外圍設備也不能得到合理的使用，整個系統(tǒng)的效率很低。因此，這種I/O控制方式只適合于 CPU 執(zhí)行速度較慢，且外圍設備較少的系統(tǒng)。

2、中斷驅動控制方式

為了減少程序直接控制方式下 CPU 的等待時間以及提高系統(tǒng)的并行程度，系統(tǒng)引入了中斷機制。中斷機制引入后，外圍設備僅當操作正常結束或異常結束時才向 CPU 發(fā)出中斷請求。在 I/O 設備輸入每個數(shù)據(jù)的過程中，由于無需 CPU 的干預，一定程度上實現(xiàn)了 CPU 與 I/O設備的并行工作。僅當輸入或輸出完一個數(shù)據(jù)時，才需 CPU 花費極短的時間做中斷處理。

中斷驅動方式流程圖

存在的問題：由于I/O操作直接由 CPU 控制，每傳送一個字符或一個字，都要發(fā)生一次中斷，仍然占用了大量的 CPU 處理時間，因此可以通過為外圍設備增加緩沖寄存器存放數(shù)據(jù)來減少中斷次數(shù)。

上述兩種方法的特點都是以 CPU 為中心，數(shù)據(jù)傳送通過一段程序來實現(xiàn)，軟件的傳送手段限制了數(shù)據(jù)傳送的速度。接下來介紹的這兩種I/O 控制方式采用硬件的方法來顯示 I/O 的控制

3.直接存儲器訪問控制方式

直接存儲器訪問控制方式又稱 DMA(Direct Memory Access)方式。為了進一步減少 CPU 對 I/O 操作的干預，防止因并行操作設備過多使 CPU 來不及處理或因速度不匹配而造成的數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，引入了 DMA 控制方式。在 DMA 控制器的控制下，采用竊取或挪用總線控制權，在設備和主存之間開辟直接數(shù)據(jù)交換通道，成批地交換數(shù)據(jù)，而不必讓 CPU 干預。

DMA方式的特點：

① 數(shù)據(jù)傳送以數(shù)據(jù)塊為基本單位

② 所傳送的數(shù)據(jù)從設備直接送入主存，或者從主存直接輸出到設備上

③ 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時才需 CPU 的干預，而整塊數(shù)據(jù)的傳送則是在控制器的控制下完成。

DMA方式和中斷驅動控制方式相比，減少了 CPU 對 I/O 操作的干預，進一步提高了 CPU 與 I/O 設備的并行操作程度。

DMA方式的線路簡單、價格低廉，適合高速設備與主存之間的成批數(shù)據(jù)傳送，小型、微型機中的快速設備均采用這種方式，但其功能較差，不能滿足復雜的 I/O 要求。

4、通道控制方式

通道，獨立于 CPU 的專門負責輸入輸出控制的處理機，它控制設備與內存直接進行數(shù)據(jù)交換。有自己的通道指令，這些指令由 CPU 啟動，并在操作結束時向 CPU 發(fā)出中斷信號。

直接程序控制方式和中斷程序控制方式適合于低速設備的數(shù)據(jù)傳送，而 DMA 方式雖然適合于高速設備的數(shù)據(jù)傳送，但一個 DMA 控制器只能控制少量的同類設備，這遠遠不能滿足大型計算機系統(tǒng)的需要。通常，一個大型計算機需要連接大量的高速和低速設備，通道控制方式可以滿足這個要求。(DMA和通道控制方式的主要區(qū)別——能否滿足大型計算機系統(tǒng)的既能處理高速設備又能處理低速設備的需要)

通道控制方式，實現(xiàn)了CPU、通道和I/O設備三者的并行操作，從而更加有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。例如，當 CPU 要完成一組相關的讀(或寫)操作時，只需要向 I/O 通道發(fā)出一條 I/O 指令，指出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設備，通道接收到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成 CPU 指定的 I/O 任務?？梢姡ǖ乐皇窃?I/O 操作的起始和結束時向 CPU 發(fā)出 I/O 中斷申請，相對于之前的控制方式進一步減少了 CPU 的干預程度。