I/O 控制方式的演进目标是减少 CPU 干预，提升 I/O 与 CPU 的并行度，以下是四种方式的对比分析：
1. 程序直接控制方式（轮询）
原理：
- CPU 发送 I/O 指令后，循环查询设备状态（如
while (device.busy);）。 - 例：从磁盘读 1 字节 → CPU 不断问“好了没？”，直到设备准备好。
- 流程图：
CPU → 发读命令 → 轮询设备状态 → 读数据 → 继续（全程独占 CPU）优缺点：
✅ 简单易实现（无硬件中断支持时可用）。
❌ CPU 利用率极低（大部分时间浪费在等待）。
❌ 设备与 CPU 串行（设备慢则 CPU 空转）。
2. 中断驱动方式
原理：
- CPU 发 I/O 指令后，转去执行其他任务（进程阻塞/换出--主动打断CPU运行请求服务，从而解放CPU）。
- 设备就绪（如数据读入控制器），发中断通知 CPU。
- CPU 响应中断，处理数据（从设备→内存）。
- 流程图：
CPU → 发读命令 → 执行其他任务 → 设备中断 → CPU 处理中断（读数据）→ 恢复进程优缺点：
✅ CPU 利用率提升（等待时不阻塞，可做其他事）。
✅ 设备与 CPU 并行（数据准备阶段 CPU 忙，完成时中断处理）。
❌ 仍以字节/字为单位处理（如读 1MB 需 1M 次中断，开销大）。
❌ 数据需经 CPU 寄存器中转（设备→CPU→内存）。
3. DMA（直接存储器存取）方式
原理：
- 硬件（DMA 控制器）接管数据块传输（如磁盘读扇区到内存）。
- CPU 初始化 DMA（设置 MAR（内存地址）、DC（字数）、CR（命令））。
- DMA 控制器直接操作总线，设备⇨内存（无需 CPU 干预，仅块开始/结束中断）。
- 流程图：
CPU → 发 DMA 命令（设 MAR=0x1000, DC=1024）→ DMA 读设备 → 直存内存 0x1000 → 完成中断特点：
- 数据块传输（例：一次读 512 字节扇区）。
- 无 CPU 中转（设备⇔内存直达）。
- 少量 CPU 干预（仅块开始（初始化）、结束（中断处理））。
优缺点：
✅ 大幅提升 I/O 速率（块传输减少中断次数，如 1MB 只需 1 次 DMA 中断 vs 1M 次中断驱动）。
✅ CPU 效率高（初始化后可继续运算）。
❌ 需专用硬件（DMA 控制器）。
❌ 灵活性受限（CPU 需指定块大小、内存位置）。
4. 通道控制方式
原理：
- 专属 I/O 处理器（通道），执行通道程序（存于内存，类似 CPU 指令）。
- CPU 发通道指令（如“执行通道程序 0x2000，操作磁盘”）。
- 通道独立管理多设备 I/O（例：同时读磁盘、写磁带），完成后中断。
与 DMA 对比：
对比项 |
DMA |
通道 |
控制粒度 |
块（需 CPU 告知大小、位置） |
程序（通道自行决定） |
设备数量 |
单设备（1 控制器→1 设备） |
多设备（1 通道→多设备） |
指令类型 |
简单（读、写块） |
丰富（类似 CPU 指令集） |
缺点：
- ✅ 最高并行度：CPU、通道、多设备可并行工作（例：CPU 计算，通道读磁盘+写网卡）。
- ✅ 灵活（通道程序可定制复杂 I/O 逻辑）。
- ❌ 硬件成本高（需通道处理器）。
- ❌ 编程复杂（需写通道程序）。
核心对比表
方式 |
CPU 干预度 |
数据单位 |
传输路径 |
中断频率 |
适用场景 |
程序直接控制 |
高（全程轮询） |
字/字节 |
设备→CPU→内存 |
无（轮询） |
简单低速设备（如早期终端） |
中断驱动 |
中（仅中断时） |
字/字节 |
设备→CPU→内存 |
高（每字中断） |
中低速设备（如键盘） |
DMA |
低（块首尾） |
数据块（扇区） |
设备⇨内存（直达） |
低（每块中断） |
高速块设备（磁盘、SSD） |
通道 |
极低（指令级） |
自定义（程序） |
多设备并行 |
极低（程序完） |
大型主机多设备并发（IBM zSeries） |
总结
I/O 控制方式的进化是硬件复杂度与软件效率的平衡：
- 简单设备（键盘）用中断驱动（性价比高）。
- 磁盘等高速块设备用 DMA（块传输减少开销）。
- 大型系统（服务器）用 通道（多设备并行，释放 CPU）。
理解每种方式的数据单位、CPU 干预时机、硬件需求，能准确分析 I/O 性能瓶颈（如“系统中断数过高→是否该用 DMA？”）。
✨ 一句话记忆：轮询忙等待，中断省 CPU，DMA 传块快，通道管多台！ ✨