# 6.2 I/O控制方式

## 一、程序直接控制方式

### 1.1 基本原理

**思想**：CPU通过程序不断查询设备状态，直到设备就绪，然后进行数据传输。

### 1.2 工作流程

```
CPU发送命令给设备
    ↓
CPU循环查询设备状态
    ↓
设备完成操作
    ↓
CPU读取数据
```

### 1.3 特点

**优点**：
- 实现简单
- 硬件要求低

**缺点**：
- CPU利用率低（忙等待）
- 不能实现设备与CPU并行工作
- 只适用于简单设备

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## 二、中断驱动方式

### 2.1 基本原理

**思想**：CPU发出I/O命令后，继续执行其他任务，设备完成操作后发出中断，CPU响应中断进行数据传输。

### 2.2 工作流程

```
CPU发送命令给设备
    ↓
CPU继续执行其他任务
    ↓
设备完成操作，发出中断
    ↓
CPU响应中断，读取数据
    ↓
CPU继续执行原任务
```

### 2.3 特点

**优点**：
- CPU和设备可以并行工作
- CPU利用率高

**缺点**：
- 每次数据传输都需要中断
- 中断处理开销大
- 不适合高速设备的大量数据传输

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## 三、DMA方式

### 3.1 基本原理

**思想**：DMA控制器直接在设备和内存之间传输数据，不需要CPU干预。

### 3.2 DMA控制器

**组成**：
- **命令/状态寄存器**：接收CPU命令，报告状态
- **内存地址寄存器**：存放内存地址
- **数据计数器**：记录传输数据量
- **数据缓冲寄存器**：暂存数据

### 3.3 工作流程

**预处理**：
1. CPU设置内存地址寄存器
2. CPU设置数据计数器
3. CPU设置传输方向
4. CPU启动DMA

**数据传输**：
1. DMA控制器控制总线
2. 设备与内存直接传输数据
3. 每传输一个数据，内存地址寄存器+1，数据计数器-1
4. 数据计数器为0时，传输完成

**后处理**：
1. DMA发出中断
2. CPU响应中断，进行后处理

### 3.4 特点

**优点**：
- 数据传输不需要CPU干预
- 适合高速设备的大量数据传输
- 传输效率高

**缺点**：
- 需要DMA控制器
- 硬件复杂
- 每次传输一个数据块才中断一次

### 3.5 DMA与中断的区别

| 特性 | 中断 | DMA |
|-----|------|-----|
| 数据传输 | 需要CPU参与 | 不需要CPU参与 |
| 中断频率 | 每个数据一次 | 每个数据块一次 |
| 适用场景 | 低速设备、少量数据 | 高速设备、大量数据 |
| CPU干预 | 多 | 少 |

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## 四、通道控制方式

### 4.1 基本原理

**思想**：使用专门的I/O处理机（通道）管理I/O操作，通道有自己的指令系统，可以独立执行I/O程序。

### 4.2 通道类型

**字节多路通道**：
- 连接多个低速设备
- 以字节为单位交叉传输
- 如：连接多个终端

**数组选择通道**：
- 连接一个高速设备
- 以数据块为单位传输
- 独占使用
- 如：连接磁盘

**数组多路通道**：
- 连接多个高速设备
- 以数据块为单位交叉传输
- 如：连接多个磁盘

### 4.3 工作流程

1. **CPU执行管理程序**：准备通道程序
2. **CPU启动通道**：执行通道程序
3. **通道执行I/O操作**：控制设备传输数据
4. **通道发出中断**：I/O完成
5. **CPU响应中断**：进行后处理

### 4.4 特点

**优点**：
- 通道可以独立执行I/O操作
- CPU只需发出启动命令
- 适合大型系统的大量I/O操作

**缺点**：
- 需要专门的通道硬件
- 成本高
- 复杂

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## 五、四种控制方式的比较

| 特性 | 程序直接控制 | 中断驱动 | DMA | 通道控制 |
|-----|------------|---------|-----|---------|
| CPU干预 | 全程 | 每个数据 | 每个数据块 | 启动和结束 |
| 并行性 | 无 | 有 | 有 | 有 |
| 传输单位 | 字 | 字 | 数据块 | 数据块 |
| 适用设备 | 简单设备 | 低速设备 | 高速设备 | 大量高速设备 |
| 硬件复杂度 | 低 | 中 | 高 | 很高 |
| 传输效率 | 低 | 中 | 高 | 很高 |

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## 六、考研重点

1. **四种I/O控制方式**：
   - 程序直接控制：原理、特点
   - 中断驱动：原理、工作流程、特点
   - DMA：原理、DMA控制器、工作流程、特点
   - 通道控制：原理、通道类型、工作流程、特点
2. **DMA与中断的区别**
3. **四种方式的比较**

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*下一节：6.3 I/O软件层次结构*