【操作系统】IO设备的基本概念和分类、IO控制器、IO控制方式、IO软件层次结构

1. I/O设备的基本概念与分类

1. 什么是I/O设备

“I/O”就是“输入/输出”（Input/Output）

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，属于计算机中的硬件部件。

UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作系统相同的方式对外部设备进行操作。

2. I/O设备的分类

1. 按使用特性

2. 按传输速率分类

3. 按信息交换的单位分类

2. I/O控制器

1. I/O设备的机械部件

I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。比如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。

I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。

2. I/O设备的电子部件（I/O控制器）

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。

这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由控制器来控制设备的机械部件。

3. I/O控制器的组成

几个小细节：

1. 一个I/O控制器可能会对应多个设备；
2. 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

4. 内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址

3. I/O控制方式

需要注意的问题：

1. 完成一次读/写操作的流程；
2. CPU干预的频率；
3. 数据传送的单位；
4. 数据的流向；
5. 主要缺点和主要优点。

1. 程序直接控制方式

数据操作的流程：

1）完成一次读/写操作的流程（如下图，key word:轮询）：

2）CPU干预的频率

很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。

3）数据传送的单位

每次读/写一个字。

4）数据的流向

读操作（数据输入）：I/O设备 -> CPU寄存器 -> 内存。

写操作（数据输出）：内存 -> CPU寄存器 -> I/O设备。

每个字的读/写都需要CPU的帮助。

5）主要缺点和主要优点

优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可。（因此才称为“程序直接控制方式”）

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一致轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。

2. 中断驱动方式

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。

注意：

1. CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
2. 中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

1）完成一次读/写操作的流程（如下图，key word:中断）

2）CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。

等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。

3）数据传送的单位

每次读/写一个字。

4）数据的流向

读操作（数据流入）：I/O设备 -> CPU寄存器 -> 内存。

写操作（数据输出）：内存 -> CPU寄存器 -> I/O设备。

5）主要优点和主要缺点

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不在需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。

缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。

3. DMA方式

与“中断驱动方式”相比，DMA方式（Direct Memory Access，直接寄存器存取。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进：

1. 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送；
2. 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。
3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

DMA控制器

DR (Data Register,数据寄存器) :暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。

MAR ( Memory Address Register，内存地址寄存器) :在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置;输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。

DC ( Data Counter,数据计数器) :表示剩余要读/写的字节数。

CR (Command Register，命令/状态寄存器) :用于存放CPU发来的I/0命令，或设备的状态信息。

1）完成一次读/写操作的流程（如下图）

2）CPU干预的频率

仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

3）数据传送的单位

每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的）

4）数据的流向（不再需要经过CPU）

读操作（数据输入）：I/O设备 -> 内存。

写操作（数据输出）: 内存 -> I/O设备。

5）主要优点和主要缺点

优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不在需要经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。

缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

4. 通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为“弱鸡版的CPU”。通常可以识别并执行一系列通道指令。

说明：与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。

1）完成一次读/写操作的流程（如下图）

2）CPU干预的频率

极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。

3）数据传送的单位

每次读/写一组数据块

4）数据的流向（在通道的控制下进行）

读操作（数据流入）：I/O设备 -> 内存。

写操作（数据输出）：内存 -> I/O设备。

5）主要优点和主要缺点

优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。

缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持。

4. I/O软件层次结构

1. 用户层软件

Eg: printf("hello, world!");会被翻译成等价的write系统调用，当然，用户层软件也会在系统调用时填入相应参数。

Windows操作系统向外提供的一系列系统调用，但是由于系统调用的格式严格，使用麻烦，因此在用户层上封装了一系列更方便的库函数接口供用户使用(WindowsAPI)。

2. 设备独立性软件

设备独立性软件，又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。

主要实现的功能：

1. 项上层提供统一的调用接口（如read/write 系统调用）
2. 设备的保护：原理类似于文件保护。设备被看做是一种特殊的文件，不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。
3. 差错处理：设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理。
4. 设备的分配与回收。
5. 数据缓冲区管理：可以通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异。
6. 建立逻辑设备名与物理设备名的映射关系；根据设备类型选择调用相应的驱动程序：设备独立性软件需要通过“逻辑设备表（LUT，Logical Unit Table）”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序。

操作系统系统可以采用两种方式管理逻辑设备表(LUT) : 第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此这种方式只适用于单用户操作系统。

第二种方式，为每个用户设置一张LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中。

思考:为什么不同类型的1/O设备需要有不同的驱动程序处理?

答案：各式各样的设备，外形不同，其内部的电子部件(I/O控制器)也有可能不同。

3. 设备驱动程序

注:驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。

4. 中断处理程序

当I/0任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。中断处理程序的处理流程如下:

5. 小结

说明：I/O控制器用于实现对I/O设备的控制。I/O设备由机械部件和电子部件组成。