1、什么是I/O控制器

由于CPU無法直接控制I/O設備的機械部件，因此I/O設備還要有個電子部件作為CPU和I/O設備機械部件之間的“中介”，用于實現(xiàn)CPU對設備的控制，這個電子部件就是I/O控制器，又稱為設備控制器。

I/O控制器是控制計算機輸入輸出的一個最基本的控制系統(tǒng)，可指揮計算機的各個部件按照指令的功能要求協(xié)調(diào)工作的部件。它由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）和操作控制器OC（OperationController）三個部件組成，對協(xié)調(diào)整個電腦有序工作極為重要。

下面小編就從功能和控制方式兩個方面帶大家進一步了解I/O控制器，想學習的客戶朋友就一起看下去吧，絕對干貨哦！

2、I/O控制器的功能

● 接收設備CPU指令：CPU的讀寫指令和參數(shù)存儲在控制寄存器中

● 向CPU報告設備的狀態(tài)：I/O控制器中會有相應的狀態(tài)寄存器，用于記錄I/O設備的當前狀態(tài)。（比如1代表設備忙碌，0代表設備就緒）

● 數(shù)據(jù)交換：數(shù)據(jù)寄存器，暫存CPU發(fā)來的數(shù)據(jù)和設備發(fā)來的數(shù)據(jù)，之后將數(shù)據(jù)發(fā)給控制寄存器或CPU。

● 地址識別：類似于內(nèi)存的地址，為了區(qū)分設備控制器中的各個寄存器，需要給各個寄存器設置一個特定的地址。I/O控制器通過CPU提供的地址來判斷CPU要讀寫的是哪個寄存器。

這里向大家簡單介紹常見的幾種I/O控制方式，包括程序直接控制方式、中斷驅(qū)動方式、DMA（直接存儲方式）、通道控制方式。

3、I/O控制方式

①程序直接控制方式

CPU向I/O模塊發(fā)出讀寫指令，CPU會從狀態(tài)寄存器中讀取I/O設備的狀態(tài)，如果是忙碌狀態(tài)就繼續(xù)輪詢檢查狀態(tài)，如果是已就緒，就代表I/O設備已經(jīng)準備好，可以從中讀取數(shù)據(jù)到CPU寄存器中，讀到CPU后，CPU還要往存儲器（內(nèi)存）中寫入數(shù)據(jù)，寫完后再執(zhí)行下一套指令。

優(yōu)點：實現(xiàn)簡單。在讀寫指令之后，加上實現(xiàn)輪詢檢查的一系列指令即可。

缺點：CPU和I/O設備只能串行化工作，CPU需要一直輪詢檢查，長期處于忙等狀態(tài)，CPU利用率很低。

②中斷驅(qū)動方式

中斷驅(qū)動方式的思想是允許I/O設備主動打斷CPU的運行并請求服務，從而“解放”CPU，使得其向I/O控制器發(fā)送讀命令后可以繼續(xù)做其他有用的工作。I/O控制器從CPU接收一個讀命令，然后從外圍設備讀數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)讀入到該I/O控制器的數(shù)據(jù)寄存器，便通過控制線給CPU發(fā)出一個中斷信號，表示數(shù)據(jù)已準備好，然后等待CPU請求該數(shù)據(jù)。I/O控制器收到CPU發(fā)出的取數(shù)據(jù)請求后，將數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)總線上，傳到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可開始下一次I/O操作。這樣就使得CPU與I/O設備能夠并行工作。

優(yōu)點：與程序直接控制方式相比，在中斷驅(qū)動方式中，I/O控制器會通過中斷信號主動報告I/O已完成，CPU不再需要不停的輪詢。CPU和I/O設備可并行工作，CPU利用率得到明顯提升。

缺點：由于數(shù)據(jù)中的每個字在存儲器與I/O控制器之間的傳輸都必須經(jīng)過CPU，這就導致了中斷驅(qū)動方式仍然會消耗較多的CPU時間。

③DMA（直接存儲方式）

DMA方式的數(shù)據(jù)流向是從設備直接放入內(nèi)存（設備→內(nèi)存），或者是從內(nèi)存直接到設備（內(nèi)存→設備），不再使用CPU作為中間者。CPU在讀寫數(shù)據(jù)前要指明要讀入多少數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)要存放在內(nèi)存中的什么位置、數(shù)據(jù)放在外部磁盤的什么位置等問題，然后DMA控制器會根據(jù)CPU提出的要求完成數(shù)據(jù)的讀寫操作。當整塊數(shù)據(jù)的傳輸完成后，才向CPU發(fā)出中斷信號。

優(yōu)點：數(shù)據(jù)傳輸效率以“塊”塊為單位，僅僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需要CPU的干預，CPU的介入性進一步降低。同時。CPU和I/O設備的并行性進一步提升。

缺點：CPU發(fā)出一條指令，只能讀或?qū)懸粋€或多個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。如果讀寫的數(shù)據(jù)塊不是連續(xù)存放的而是離散的，那么CPU要分別發(fā)出多條I/O指令，進行多次中斷處理才能完成。

④通道控制方式

通道是一種硬件，可以理解為“低配版的CPU”。通道與CPU相比的話，CPU能夠處理的指令種類比較多，而通道只能執(zhí)行單一指令。使用這種控制方式，CPU干涉頻率極低，通道會根據(jù)CPU的指令執(zhí)行響應程序，只有完成一組數(shù)據(jù)塊的讀寫后才需要發(fā)出中斷信號讓CPU干預。

優(yōu)點：CPU、 通道、I/O設備可并行工作，資源利用率極高。

缺點：實現(xiàn)復雜，需要專門的通道硬件支持。

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