7.第七周课件--IO方式和内核空间IO软件1

在计算机系统中，I/O（Input/Output）是CPU与外部设备之间进行数据交换的关键环节。根据提供的信息，本文将详细讲解三种基本的I/O方式：程序直接控制、中断I/O方式以及直接内存访问（DMA）方式，并结合具体的示例进行分析。 1. **程序直接控制方式**： 这是最简单的I/O方式，通常用于处理简单的外设或低速设备。CPU通过执行一系列指令来控制数据的传输，分为无条件传送和条件传送两种类型。无条件传送是在预设的时间点进行数据交换，而条件传送则需要CPU通过轮询（Polling）方式主动查询设备状态，确认设备准备就绪后再进行数据传输。这种方式的优点是结构简单，但缺点是CPU效率低下，因为它需要不断地检查设备状态，浪费了大量时间。 2. **中断I/O方式**： 这种方式几乎被所有系统所支持，当一个I/O设备需要CPU干预时，它会发送中断请求给CPU。CPU响应后，保存当前程序的状态，跳转到中断处理程序执行。处理完成后，CPU再返回到被中断的程序继续执行。中断I/O方式提高了CPU利用率，因为它可以并行处理其他任务。例如，sys_write系统调用在实现字符串输出时，可以利用中断I/O方式，在等待打印机就绪时，CPU可以执行其他任务，提高效率。 3. **直接内存访问（DMA）方式**： DMA主要用于高速外设如磁盘，允许设备直接与主存交换数据，无需CPU参与。数据传输过程中，由DMA控制器接管总线控制权，确保数据安全高效地传输。这种方式极大地减轻了CPU的负担，尤其适用于大量数据的传输。 以"hello, world"程序为例，其printf函数调用会涉及系统调用`sys_write`。当用户态的printf函数调用到内核态的`sys_write`时，可以采用上述三种I/O方式之一来实现字符的打印。程序查询方式下，CPU会不断地检查打印机状态，直到打印机就绪，然后输出字符。而在中断I/O方式下，CPU在等待中断请求时可以执行其他任务，当打印机准备就绪时，通过中断信号通知CPU进行数据传输。而DMA方式下，打印机控制器直接与内存交换数据，CPU则无需参与具体的数据传输过程。 总结来说，不同的I/O方式各有优劣，程序直接控制方式简单但效率低，中断I/O方式提高了CPU利用率，而DMA方式则优化了大容量数据传输的效率。选择哪种方式取决于设备的速度、数据量以及对系统资源的占用情况。在实际操作系统设计中，会根据需求灵活组合和使用这些I/O机制。