考研笔记

I/O 控制方式

四种 I/O 控制方式不是四个并列的选项，而是一条由同一个问题推着走的演进链：

CPU 太快、外设太慢，如何让 CPU 少为 I/O 浪费时间。

每一种方式都在回答”这次又把 CPU 从哪一段工作里解放出来了”，四种方式因此可以用两个维度贯穿始终：数据由谁搬，以及 CPU 每隔多久被打扰一次。抓住这两条，四种方式的全部优缺点都是推论。

机制

程序直接控制方式

CPU 向控制器发出 I/O 命令后，不断地循环读取状态寄存器，检查设备是否就绪；就绪后由 CPU 把一个字从控制器的数据寄存器搬到内存，然后重复这个过程，直到全部数据传送完毕。

它的问题不在于慢，而在于”轮询”这个动作本身：CPU 在等待期间什么都不能干，只能一遍遍地问”好了没”。这种等待称为忙等。

由此得到一个反直觉但高频的结论：程序直接控制方式下，请求 I/O 的进程不会进入阻塞态——它一直占着 CPU 在轮询，始终处于运行态。

中断驱动方式

CPU 发出 I/O 命令后就转去执行其他程序，不再轮询。设备准备好之后，由控制器向 CPU 发出中断请求，CPU 响应中断、转去执行中断服务程序，把数据从控制器搬到内存，然后返回原程序。

这一步解放的是”等待”：CPU 在设备工作期间可以做别的事，进程也主动放弃 CPU 进入阻塞态，等 I/O 完成后被唤醒。

但数据仍然是 CPU 一个字一个字搬的，而且每传送一个字就要中断一次。对磁盘这种一次要传几千字节的设备，中断次数高得无法接受。

DMA 方式

DMA（直接存储器存取）的核心是让数据不再经过 CPU：在 DMA 控制器的控制下，数据直接在设备与内存之间成块传送。

DMA 控制器中有四类寄存器：命令/状态寄存器 CR（接收命令、反映状态）、内存地址寄存器 MAR（存放数据在内存中的地址）、数据寄存器 DR（暂存数据）、数据计数器 DC（记录还剩多少字节要传）。

完整过程分三段：

① 预处理——CPU 执行驱动程序，把内存起始地址、传送字节数、传送方向写进 DMA 控制器的寄存器，然后启动 DMA。这一段是 CPU 干的活。

② 数据传送——DMA 控制器接管总线，成块地在设备与内存之间搬数据，全程不经过 CPU。CPU 在此期间执行别的程序，请求 I/O 的进程处于阻塞态。

③ 后处理——传送完毕后 DMA 向 CPU 发出中断，CPU 执行中断服务程序做善后（检查错误、唤醒进程等）。

这一步解放的是”搬运”：CPU 只在头尾各出现一次，中间几千字节的搬运完全不参与。中断频率从”每个字一次”降到”每个数据块一次”。

通道控制方式

通道是一个专门的处理机，有自己的指令系统。 CPU 只需向通道发出一条指令，指明通道程序在内存中的位置和要操作的设备，通道就会自主执行这段通道程序，完成一整批 I/O 操作（可能涉及多个数据块、甚至多台设备），全部完成后才向 CPU 发出一次中断。

这一步解放的是”组织”：连”这批数据分几次搬、每次搬到哪”都不用 CPU 操心了。中断频率进一步降到”每一组数据块一次”。

四种方式的演进因此有一条清晰的主线：

轮询解放不了任何东西 → 中断解放了”等待” → DMA 解放了”搬运” → 通道解放了”组织”。

CPU 干预频率随之从”每个字且全程忙等”降到”每个字”、“每个块”、“每组块”。

边界

程序直接控制方式不会使进程阻塞

疑问点：哪些 I/O 方式会导致用户进程进入阻塞态

  1. 下列几种 I/O 方式中，会导致用户进程进入阻塞态的是（　）。 I. 程序直接控制　II. 中断方式　III. DMA 方式

答案 II、III。

判据是”进程有没有主动交出 CPU”：

程序直接控制方式下，进程一直在执行轮询循环——它没有交出 CPU，也没有等待任何事件被唤醒，始终处于运行态。它确实在”等”，但那是占着 CPU 在等。

中断方式和 DMA 方式下，进程发出 I/O 请求后就主动放弃了 CPU，进入阻塞队列等待 I/O 完成中断把它唤醒，这才是阻塞态的定义。

这条辨析容易错，是因为直觉上会觉得”轮询更像在等待”。 但阻塞态的定义是”因等待某事件而暂时无法运行”，轮询的进程随时都在运行，只是在做无用功。

DMA 三阶段中 CPU 与进程各处什么状态

疑问点：DMA 预处理与后处理阶段的执行主体与进程状态

  1. DMA 传输前需要进行预处理，传输后需要进行后处理，则下列说法中正确的是（　）。 A. 预处理程序运行在用户态，后处理程序运行在内核态 B. 负责预处理和后处理程序的进程都是请求 I/O 的进程 C. 预处理阶段不需要 CPU 参与，后处理阶段需要 CPU 参与 D. 预处理阶段请求 I/O 的进程处于运行态，后处理阶段处于阻塞态

答案 D。 把三阶段和”谁在跑、跑在哪个态”一一对上，四个选项就都能判：

预处理阶段，CPU 正在执行设备驱动程序去设置 DMA 寄存器。这段代码是由请求 I/O 的那个进程通过系统调用陷入内核后执行的，所以该进程处于运行态，且运行在内核态。

传送阶段，进程已阻塞，DMA 控制器在搬数据。

后处理阶段，DMA 发出中断，CPU 转去执行中断处理程序。此时请求 I/O 的进程还没有被唤醒，仍处于阻塞态——正是这个中断处理程序之后才会把它唤醒。

逐项排除：A 错在”预处理运行在用户态”——设置 DMA 寄存器是特权操作，只能在内核态。B 错在”后处理也是请求 I/O 的进程”——后处理是中断处理程序，中断可能打断任何一个正在运行的进程，与请求 I/O 的那个进程无关。C 错在”预处理不需要 CPU”——预处理恰恰全靠 CPU。

中断处理过程中哪些由硬件完成

疑问点：中断处理过程中一定不由硬件完成的工作

  1. 在接收和处理一个输入设备的中断的过程中，一定不由硬件来完成的工作是（　）。 A. 判断产生中断的类型　B. CPU 模式由用户态切换到内核态 C. 主机获取设备输入　D. 保存用户程序的断点

答案 C。

判据是：中断响应阶段的动作由硬件（中断隐指令）完成，中断处理阶段的动作由软件完成。

B 保存断点、切换到内核态、跳转到中断入口，这三件事都属于”中断响应”，由 CPU 硬件在响应中断的那一瞬间自动完成，没有任何一条指令对应它们（因此称为”隐指令”）。D 同理。

A 判断中断类型在向量中断中由硬件通过中断向量识别中断源，因此不是”一定不由硬件完成”——题干问的是”一定不”，只要存在由硬件完成的情形就排除。

C 主机获取设备输入指的是把数据从控制器的数据寄存器读进内存，这必须由中断处理程序（软件）执行读指令来完成，硬件不会自己搬。在中断驱动方式下这正是 CPU 要干的那件事。

DMA “不经过 CPU” 的准确含义

“不经过 CPU”说的是数据不流经 CPU 的寄存器，而不是”CPU 完全不受影响”。

DMA 控制器与 CPU 共享同一条总线。DMA 传送时要占用总线，CPU 在这段时间内无法访问内存——这称为周期窃取。因此 DMA 传输仍然会拖慢 CPU，只是拖慢的程度远小于让 CPU 自己搬。

准确表述是：DMA 使数据传送不再消耗 CPU 的指令周期，但仍然消耗总线带宽。

中断驱动方式与 DMA 方式的中断次数

这是最能体现两者差别的一条：

中断驱动方式每传送一个字就中断一次。 传 1000 个字就要中断 1000 次，每次中断都要保存现场、执行中断服务程序、恢复现场，开销巨大。

DMA 方式在整个数据块传送完毕后才中断一次。 传 1000 个字仍然只中断一次。

这就是为什么块设备（磁盘）用 DMA、字符设备（键盘）用中断：键盘本来就是一个字符一个字符地来，用 DMA 没有意义；磁盘一次几千字节，用中断会把 CPU 淹没。

对照速查

程序直接控制中断驱动DMA通道控制
数据由谁搬CPUCPUDMA 控制器通道
传送单位字字数据块一组数据块
数据流向设备→控制器→CPU→内存设备→控制器→CPU→内存设备→控制器→内存（不经 CPU）设备→控制器→内存
CPU 干预频率极高（全程忙等）高（每个字）中（每个块）低（每组块）
进程是否阻塞否，一直运行态是是是
解放了什么—等待搬运组织
DMA 三阶段谁在干请求 I/O 的进程
预处理CPU（内核态执行驱动程序）运行态
数据传送DMA 控制器阻塞态
后处理中断处理程序仍是阻塞态
DMA 控制器四类寄存器作用
CR 命令/状态接收命令、反映状态
MAR 内存地址数据在内存中的地址
DR 数据暂存数据
DC 数据计数还剩多少字节
中断过程谁完成
保存断点、切换到内核态、跳转入口硬件（中断隐指令）
判断中断类型可由硬件（向量中断）
把数据从控制器读进内存软件（中断处理程序）

考点

  • 四种方式的演进主线：解放等待 → 解放搬运 → 解放组织
  • 程序直接控制方式不会使进程阻塞（占着 CPU 忙等，仍是运行态）
  • 中断驱动每个字中断一次，DMA 每个数据块中断一次
  • DMA 三阶段中，预处理和后处理都要 CPU；后处理时进程仍处于阻塞态
  • 后处理由中断处理程序完成，不一定是请求 I/O 的进程
  • DMA 不经过 CPU 指的是不经过 CPU 寄存器，但仍占总线（周期窃取）
  • 中断过程中保存断点与模式切换由硬件，获取设备输入由软件
  • 块设备配 DMA，字符设备配中断

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