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I/O管理

参考文档

B站：《王道考研 操作系统》
《现代操作系统》

文章目录

• I/O管理
• 参考文档
• • 一、I/O设备的基本概念
  • 二、I/O控制器
  • 三、I/O控制方式
  • 四、I/O软件层次

一、I/O设备的基本概念

• I/O

是输入/输出，I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备。在UNIX操作系统中将外部设备抽象为一种特殊的文件，使用Read和Write对外部设备进行操作。

• I/O设备

• I/O 设备大致可以分为两类：块设备和字符设备。
• 块设备把信息存储在固定大小的块上，每个块有自己独立的地址，块的大小在512~65536 字节之间。块设备的基本特征在于每个块都能够独立于其它块进行读写。
• 硬盘、蓝光光盘和 USB 是最常见的块设备。磁盘是公认的可寻址的设备，因为无论磁盘臂处于什么位置，它总能够寻址到其它柱面并且等待所需要的磁盘块旋转到磁头下面。
• 字符设备以字符为单位发送或者接收一个字符流，不考虑任何块结构。字符设备是不可寻址的，也没有任何寻道操作。鼠标、键盘等和磁盘不同的设备大都是字符设备。

二、I/O控制器

I/O设备的电子部件用于实现CPU对I/O设备的控制，被称为I/O控制器，CPU就是通过控制它来控制I/O设备的机械部件。有以下功能：

• 接受和识别CPU发出的命令：I/O控制器中的控制寄存器来存放CPU发来的Read/Write指令。
• 向CPU 告设备状态：I/O控制器中的状态寄存器记录I/O设备的当前状态。
• 数据交换：I/O控制器中设置相应的数据寄存器，类似于数据缓冲区与CPU交互，暂存各项数据。
• 地址识别（由I/O逻辑实现）：类似于内存的地址，为各个寄存器设置一个特定的地址，区分各个寄存器。

I/O控制器的组成：

CPU轮询（完成一次读/写操作流程）检查I/O控制器的状态，循环处理，直到I/O准备就绪。CPU干预很频繁，需要不断轮询，导致长时间处于忙等状态。CPU与I/O设备串行工作。

引入中断机制，CPU在对I/O设备发出读/写指令后，将等待I/O的进程阻塞。当I/O完成后，控制器向CPU发出一个中断信 ，CPU 检测到中断信 后，会转去执行相应的中断处理程序。CPU从I/O控制器读取一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入内存。最后，CPU恢复等待I/O的进程运行环境，并继续执行。CPU和I/O设备可并行工作，但频繁的中断处理影响性能。

DMA方式的数据传输以块为单位，CPU干预频率低，数据直接由设备写入内存，其传输效率进一步增加。但是CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的块。

• 通道控制方式

“通道”是一种硬件，CPU向通道发出通道指令，指明通道程序在内存中的位置和所要操作的I/O设备，之后CPU切换到其它进程。

总结对比

1. 用户层软件调用库函数，通过系统调用请求操作系统内核服务，例如用户层软件的printf代码在设备独立性软件层被翻译成write系统调用。
2. 设备独立性软件向用户层提供统一的调用接口（系统调用），并实现设备保护（设备被看作特殊文件）等功能，其基本功能就是对所有设备执行公共的 I/O 功能。
3. 设备驱动程序主要负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的指令转换成一系列设备的操作，比如，设置设备寄存器，检查设备状态等。
4. 设备驱动程序和中断处理程序是直接和硬件打交道的。
5. 中断处理程序由硬件中断、软件中断或者是软件异常活动产生的中断组成，用于实现设备驱动程序或者受保护的操作模式（如：系统调用）之间的转换。
6. 完整的中断处理程序步骤如下图所示：