I/O控制方式

在前面我們已經瞭解到，每個設備都配備了一個設備控制器。當CPU向設備控制器發送命令並將其存儲在寄存器中時，設備控制器會執行相應的操作。然而，儘管設備控制器會更新狀態寄存器的狀態，但是如何將這些信息傳達給CPU呢？

在設備控制器的寄存器中，通常會有一個狀態標誌位，用於指示輸入或輸出操作是否完成。因此，我們可以考慮第一種簡單的方法，即輪詢等待的方式，讓CPU一直檢查寄存器的狀態，直到狀態標誌位被設置為完成。然而，顯然這種方式非常低效，它會占用CPU的全部時間。

除了輪詢等待的方式，還有一種更高效的方法是採用非同步通知。這種方式需要一個中間人來進行通知，即中斷控制器，它負責向CPU發送中斷信號。當設備控制器完成操作後，會觸發中斷信號發送到中斷控制器，然後中斷控制器通過通知CPU來暫停當前的處理邏輯，以處理中斷。這種方式能夠有效地利用CPU的時間，提高系統的響應速度和效率。

中斷可以分為軟中斷和硬中斷兩種形式。軟中斷可以由程式或操作系統主動觸發，而硬中斷則是由硬體通過中斷控制器觸發的，例如滑鼠等外部設備。是由硬體設備發出的信號，通知系統進行相應的處理。中斷的使用可以大大提高系統的併發性和響應能力，使得CPU能夠更加高效地處理多個任務。

中斷雖然是一種優化方法，但它也存在一個不足之處，就是會打斷CPU當前的工作。特別是在需要進行耗時的操作，例如從磁碟讀取數據到記憶體的IO操作，CPU會被占用大量的時間，導致無法同時處理其他任務。對於這種情況，我們可以藉助DMA（直接記憶體訪問）控制器來解決這個問題。

DMA控制器是在學習Java零拷貝技術時經常提到的一個概念。它的作用是讓設備在沒有CPU參與的情況下，能夠自行將設備的輸入/輸出數據傳輸到記憶體中。要實現DMA功能，需要有硬體上的支持，即DMA控制器。那麼我們來看看DMA是如何幫CPU解決問題的。

DMA 的工作方式如下：

首先，CPU向DMA控制器發送指令，告知需要讀取的內容以及存儲數據的記憶體地址。

接著，DMA控制器代替CPU與磁碟控制器通信，向磁碟控制器發送讀取數據的命令。當磁碟控制器將數據緩衝區填滿後，它會將數據傳輸到指定的記憶體地址。

一旦磁碟控制器完成將數據傳輸到記憶體的操作，它會通過匯流排向DMA控制器發送一個確認成功的信號。

當DMA控制器接收到確認信號後，它會發送中斷通知給CPU，告知數據傳輸已經完成。

此時，CPU可以直接從記憶體中讀取數據，而無需額外的操作。可以看出，在CPU需要讀取磁碟數據時，只需向DMA控制器發送指令，然後CPU可以繼續執行其他任務。當磁碟數據被拷貝到記憶體後，DMA控制器通過中斷的方式通知CPU數據已經準備就緒，可以直接從記憶體中讀取。因此，除了在傳輸開始和結束時需要CPU的干預外，CPU的參與度較低。這樣可以極大地提高系統的併發性和響應能力。

有人可能會質疑：為什麼DMA的效率比中斷高呢？磁碟控制器完成讀取後只需向CPU發送一個中斷，DMA完成後也需要發送一個中斷，所以它們不是一樣的嗎？只是DMA直接將數據讀取到記憶體中了？

其實中斷方式的控制模式是這樣的：硬體每準備好一段數據（存放在自己的內部緩衝區中），就向CPU發送一個中斷信號；CPU接收到中斷信號後，會停止當前的工作，並將硬體緩衝區的每個字元逐個讀取到自己的寄存器中，然後將每個字元逐個寫入記憶體。之後，其他應用可以通過系統調用將記憶體中的數據取出進行進一步處理。

而DMA方式是這樣的：硬體先準備好若幹數據，並將其存放在自己的緩衝區（比如網卡板載的記憶體晶元）。然後，硬體向CPU發送一個中斷信號，表示有一定量的數據要提交。CPU發現硬體支持DMA，就向硬體發送通知——將數據存放在記憶體的特定地址範圍內，然後讓硬體自行處理。

之後，CPU不再理會這個硬體，而是讓硬體通過自己線路板上的簡單處理器，逐個位元組地將緩衝區中的數據寫入指定的記憶體位置。需要註意的是，在DMA方式下，記憶體的內容是由硬體自己維護的，CPU不再參與。這樣，當硬體自行搬運緩衝區數據時，CPU可以繼續處理自己的任務，提高了系統的併發性和響應能力。

設備驅動程式

儘管設備控制器屏蔽了設備的諸多細節，但每種設備控制器都具有獨特的寄存器、緩衝區等使用模式。因此，為了有效屏蔽設備控制器之間的差異，操作系統引入了設備驅動程式。通過設備驅動程式，操作系統能夠統一管理不同設備控制器的操作，使其在各種設備上都能正常工作。

設備控制器作為硬體的一部分，並不屬於操作系統的範疇。然而，設備驅動程式則是操作系統的一部分，它提供了一個介面，使得操作系統的內核代碼可以像本地調用代碼一樣使用設備驅動程式。設備驅動程式是專門針對設備控制器編寫的代碼，它發出指令來操作設備控制器，從而實現對設備的操控。通過設備驅動程式，操作系統能夠與設備控制器進行有效的通信，並實現對設備的控制和管理。

儘管不同的設備控制器具有不同的功能，但設備驅動程式會提供一個統一的介面給操作系統，這樣不同的設備驅動程式就可以以相同的方式接入操作系統。下圖展示：

在前面的討論中，我們提到了中斷的重要性。當設備完成了任務時，它會發送一個中斷信號來通知操作系統。操作系統需要有一個地方來處理這個中斷，而這個地方就是設備驅動程式。設備驅動程式會及時響應控制器發來的中斷請求，並根據中斷的類型調用相應的中斷處理程式來進行處理。

當設備驅動程式初始化時，通常會註冊一個與該設備相關的中斷處理函數。中斷處理程式的處理流程如下：當設備控制器觸發中斷並通知中斷控制器後，中斷控制器會向CPU發出中斷請求，CPU會停止當前進程的執行並保存當前進程的上下文。接著，CPU會調用相應的中斷處理函數來處理該中斷。中斷處理函數完成後，CPU會恢復之前保存的進程上下文，並繼續執行被中斷的進程。

總結

在本文中，我們總結了關於I/O控制方式的內容。首先，我們介紹了輪詢等待和非同步通知兩種基本的I/O控制方式。輪詢等待方式效率低下，會占用CPU的全部時間，而非同步通知方式通過中斷控制器來通知CPU，能夠有效提高系統的響應速度和效率。

接著，我們介紹了中斷的使用和分類。中斷可以分為軟中斷和硬中斷兩種形式，它們能夠大大提高系統的併發性和響應能力。然而，中斷也存在一個問題，即會打斷CPU當前的工作，導致無法同時處理其他任務。

為瞭解決這個問題，我們引入了DMA（直接記憶體訪問）控制器。DMA控制器能夠讓設備在沒有CPU參與的情況下，自行將設備的輸入/輸出數據傳輸到記憶體中，從而減少CPU的參與度，提高系統的併發性和響應能力。

最後，我們介紹了設備驅動程式的作用和重要性。設備驅動程式是操作系統的一部分，它提供了一個介面，使得操作系統能夠統一管理不同設備控制器的操作。設備驅動程式還負責處理設備觸發的中斷請求，並調用相應的中斷處理程式來進行處理。