1、什么是I/O控制器

由于CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制，这个电子部件就是I/O控制器，又称为设备控制器。

I/O控制器是控制计算机输入输出的一个最基本的控制系统，可指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件。它由指令寄存器IR（InstructionRegister）、程序计数器PC（ProgramCounter）和操作控制器OC（OperationController）三个部件组成，对协调整个电脑有序工作极为重要。

下面小编就从功能和控制方式两个方面带大家进一步了解I/O控制器，想学习的客户朋友就一起看下去吧，绝对干货哦！

2、I/O控制器的功能

l  接收设备CPU指令：CPU的读写指令和参数存储在控制寄存器中

l  向CPU报告设备的状态：I/O控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态。（比如1代表设备忙碌，0代表设备就绪）

l  数据交换：数据寄存器，暂存CPU发来的数据和设备发来的数据，之后将数据发给控制寄存器或CPU。

l  地址识别：类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，需要给各个寄存器设置一个特定的地址。I/O控制器通过CPU提供的地址来判断CPU要读写的是哪个寄存器。

这里向大家简单介绍常见的几种I/O控制方式，包括程序直接控制方式、中断驱动方式、DMA（直接存储方式）、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模块发出读写指令，CPU会从状态寄存器中读取I/O设备的状态，如果是忙碌状态就继续轮询检查状态，如果是已就绪，就代表I/O设备已经准备好，可以从中读取数据到CPU寄存器中，读到CPU后，CPU还要往存储器（内存）中写入数据，写完后再执行下一套指令。

优点：实现简单。在读写指令之后，加上实现轮询检查的一系列指令即可。
缺点：CPU和I/O设备只能串行化工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态，CPU利用率很低。

②中断驱动方式

中断驱动方式的思想是允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。I/O控制器从CPU接收一个读命令，然后从外围设备读数据，一旦数据读入到该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。I/O控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可开始下一次I/O操作。这样就使得CPU与I/O设备能够并行工作。

优点：与程序直接控制方式相比，在中断驱动方式中，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设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点：由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。

③DMA（直接存储方式）

DMA方式的数据流向是从设备直接放入内存（设备→内存），或者是从内存直接到设备（内存→设备），不再使用CPU作为中间者。CPU在读写数据前要指明要读入多少数据、数据要存放在内存中的什么位置、数据放在外部磁盘的什么位置等问题，然后DMA控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读写操作。当整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信号。

优点：数据传输效率以“块”块为单位，仅仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU的干预，CPU的介入性进一步降低。同时。CPU和I/O设备的并行性进一步提升。
缺点：CPU发出一条指令，只能读或写一个或多个连续的数据块。如果读写的数据块不是连续存放的而是离散的，那么CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

④通道控制方式

通道是一种硬件，可以理解为“低配版的CPU”。通道与CPU相比的话，CPU能够处理的指令种类比较多，而通道只能执行单一指令。使用这种控制方式，CPU干涉频率极低，通道会根据CPU的指令执行响应程序，只有完成一组数据块的读写后才需要发出中断信号让CPU干预。

优点：CPU、 通道、I/O设备可并行工作，资源利用率极高。
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持。

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