I/O设备
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? 现代计算机系统通常配备大量的I/O设备，用于计
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? 算机系统与外部世界（如用户、其它计算机或电 子设备等）进行信息交换或存储
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? I/O设备又称为外围设备或外部设备，简称外设
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I/O操作：内存和I/O设备之间的信息传送操作 不仅影响计算机的通用性和可扩充性，也是计算机 系统综合处理能力及性价比的重要因素
I/O设备的分类
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按信息传输方向划分
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? 输入设备：将外界信息输入计算机
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? 例如：键盘，鼠标，扫描仪等
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? 输出设备：将计算结果输出
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? 例如：显示器，打印机等
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? 输入输出设备：既可以输入信息，也可以输出信息
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? 例如：磁盘驱动器， 卡等
按交互功能划分
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人机交互设备：用于用户与计算机之间的交互通信
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例如：鼠标，键盘，显示器等
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存储设备：持久性地存储大量信息并快速检索
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例如：磁盘驱动器，光盘驱动器等
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机机通信设备：用于计算机和计算机之间的通信
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例如： 卡，调制解调器等
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按设备管理划分
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字符设备：以字符为单位进行信息交换，发送或接收一个字符流
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人机交互设备大多是字符设备，例如鼠标、显示器等
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块设备：以固定大小的数据块（块是存储介质上连续信息组成的一个区域）进行信息交换
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存储设备通常为块设备，例如磁盘驱动器等
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络设备：用于与远程设备通信的设备
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机机通信设备为 络设备，例如 卡等
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络设备可以抽象为传送字符流的特殊字符设备，也可以抽象为传送连续小块数据的块设备
设备管理的目标
- 克服设备和CPU速度的不匹配所引起的问题，使主机和设备并行工作，提高设备使用效率
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轮询方式
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流程：
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处理器向控制器发送一个I/O命令
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如果设备未就绪，则重复测试过程，直至设备就绪
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执行数据交换
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等待I/O操作完成后，才可以继续其它操作
直接存储器访问（DMA）方式
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DMA模块
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模仿处理器来控制主存和设备控制器之间的数据交换
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CPU不会终止原程序的执行
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CPU只在数据传送的开始和结束时参与
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开始时，CPU需要对DMA模块进行初始化
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结束时，CPU响应中断，但不必保存现场
DMA方式中的周期窃取
? 当DMA和CPU同时经总线访问内存时，CPU总是将总线的占有权让给DMA一个或几个主存周期
? 周期窃取对延迟CPU与主存的数据交换影响不大
? 数据传送过程是不连续的和不规则的
? CPU大部分情况下与Cache进行数据交换，直接访问内存较少
I/O通道
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又称为通道控制器、I/O处理器
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设备控制器包含自身专用的处理器和通道程序
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I/O指令不再由处理器执行，而是存在主存中，由I/O通道所包含的处理器执行
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采用四级连接：处理器，通道，控制器，设备
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可控制多台同类或不同类的设备
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流程：
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CPU在遇到I/O请求，启动指定通道
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一旦启动成功，通道开始控制I/O设备进行操作，CPU执行其他任务
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I/O操作完成后，I/O通道发出中断，CPU停止当前工作，转向处理I/O操作结束事件
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CPU与通道并行工作
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带有局部存储器的I/O通道
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相当于一台自治的计算机
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I/O指令存储在控制器自带的局部存储器中，并由I/O通道所包含的处理器执行
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可以控制大量的I/O设备，同时最小化CPU的干涉
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常用于交互式终端通信，负责包括控制终端在内的大部分任务
I/O发展对总线的影响
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单总线
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将CPU、主存和I/O模块连接到同一组总线上
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优点：结构简单，易于扩充
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缺点：主存需要和I/O模块共用总线；设备增多会造成总线变长，进而增加传输时延；无法适用于大量高速设备
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采用南北桥的多级总线（例）
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通过存储总线、PCI总线、E(ISA)总线分别连接主存、高速I/O设备和低速I/O设备
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优点：可以支持不同数据速率的I/O设备
I/O软件
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设计目标
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高效率：改善设备效率，尤其是磁盘I/O操作的效率
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通用性：用统一的标准来管理所有设备
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设计思路
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把软件组织成层次结构，低层软件用来屏蔽硬件细节，高层软件向用户提供简洁、友善的界面
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主要考虑的问题
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设备无关性：编写访问文件的程序与具体设备无关
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出错处理：低层软件能处理的错误不让高层软件感知
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同步/异步传输：支持阻塞和中断驱动两种工作方式
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缓冲技术：建立数据缓冲区，提高吞吐率
I/O软件的层次结构
双缓冲
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使用两个缓冲区
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输入：设备先将数据输入缓冲区1，系统从缓冲区1把数据传到用户区，供应用程序处理，同时设备将数据传送到缓冲区2
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输出：应用程序将数据从用户传送到缓冲区1，系统将数据传送到设备，同时应用程序将数据传送到缓冲区2
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