操作系统IO硬件原理
IO系统
I/O 设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件。
IO设备类型
- 根据输入输出特性划分：
输入型外围设备、输出型外围设备和存储型外围设备 - 按照输入输出信息交换的单位划分：
- 字符设备：输入型外围设备和输出型外围设备一般为字符设备，它与内存进行信息交换的单位是字节，即一次交换 1 个或多个字节
- 块设备：块设备一次与内存交换的一个或几个块的信息，存储型外围设备一般为块设备
IO控制方式
按照 I/O 控制器功能的强弱，以及和 CPU 之间联系方式的不同，可把I/O设备的控制方式分为四类，它们的主要差别在于中央处理器和外围设备并行工作的方式不同，并行工作的程度不同。
询问方式（又称程序直接控制方式）
一个数据输入的流程可参照下图：
1. 假如 CPU 上运行的现行程序需要从 I/O 设备读入一批数据，CPU程序设置交换字节数和数据读入主存的起始地址
2. CPU向 I/O 设备发读指令或查询标志指令，I/O 设备便把状态返回给 CPU
3. 如果 I/O忙或未就绪，则重复上述测试过程，继续进行查询
4. 如果 I/O 设备就绪，数据传送便开始，CPU 从 I/O接口读一个字，再向主存写一个字。如果传送还未结束，再次向设备发出读指令，直到全部数据传输完成再返回现行程序执行
为了完成以上查询，通常要用到三种指令：
1. 查询指令，用来查询设备是否就绪；
2. 传送指令，当设备就绪时，执行数据交换；
3. 转移指令，当设备未就绪时，执行转移指令
转向查询指令继续查询。
由上述过程可见，一旦 CPU 启动 I/O 设备，便不断查询I/O的准备情况，终止了原程序的执行。CPU在反复查询过程中，浪费了宝贵的 CPU 时间；另一方面，I/O 准备就绪后，CPU 参与数据的传送工作，此时 CPU 也不能执行原程序，可见 CPU 和 I/O 设备串行工作，使主机不能充分发挥效率，外围设备也不能得到合理使用，整个系统的效率很低。
中断方式
中断方式仅当操作正常或异常结束时才中断中央处理机，因而实现了一定程度的并行操作。
相比于询问方式，中断方式的处理流程如下所示
1. CPU 在启动 I/O 设备后，不必查询 I/O 设备是否就绪，而是继续执行现行程序，对设备是否就绪不加过问
2. 直到在启动指令之后的某条指令(如第 K 条) 执行完毕，CPU 响应了 I/O 中断请求，才中断现行程序转至 I/O 中断处理程序执行
3. 在中断处理程序中，CPU 全程参与数据传输操作，它从 I/O 接口读一个字(字节) 并写入主存
4. 如果I/O设备上的数据尚未传送完成，转向现行程序再次启动 I/O 设备，于是命令 I/O 设备再次作准备并重复上述过程
5. 否则，中断处理程序结束后，继续从 K+1 条指令执行
使用中断的方式，由于输入输出操作直接由中央处理器控制，每传送一个字符或一个字，都要发生一次中断，因而仍然消耗大量中央处理器时间。
例如，输入机每秒传送 1000 个字符，若每次中断处理平均花 100 微秒，为了传输 1000 个字符，要发生 1000 次中断，所以，每秒内中断处理要花去约 100 毫秒。
但是程序中断方式 I/O，由于不必忙式查询 I/O 准备情况，在 CPU 和 I/O 设备可实现部分并行，与程序查询的串行工作方式相比，使 CPU 资源得到较充分利用。
DMA 方式
虽然程序中断方式消除了程序查询方式的忙式测试，提高了 CPU 资源的利用率，但是在响应中断请求后，必须停止现行程序转入中断处理程序并参与数据传输操作。如果 I/O 设备能直接与主存交换数据而不占用 CPU，那么，CPU 资源的利用率还可提高，这就出现了直接存储器存取(Direct Memory Access ，DMA)方式。
在 DMA(直接主存存取)方式中，主存和 I/O 设备之间有一条数据通路，在主存和 I/O 设备之间成块传送数据过程中，不需要 CPU 干予，实际操作由 DMA 直接执行完成
具体处理如下图所示：
DMA至少需要以下逻辑部件：
逻辑部件
主存地址寄存器
存放主存中需要交换数据的地址，DMA 传送前，由程序送入首地址，在DMA传送中，每交换一次数据，把地址寄存器内容加 1
字计数器
记录传送数据的总字数，每传送一个字，字计数器减 1。
数据缓冲寄存器或数据缓冲区
暂存每次传送的数据。DMA与主存间采用字传送，DMA与设备间可能是字位或字节传送。所以，DMA中还可能包括有数据移位寄存器、字节计数器等硬件逻辑
设备地址寄存器
存放 I/O 设备信息，如磁盘的柱面号、磁道号、块号。
中断机制和控制逻辑
用于向 CPU 提出 I/O 中断请求和保存 CPU 发来的 I/O 命令及管理 DMA的传送过程。
DMA 不仅设有中断机构，而且，还增加了DMA传输控制机构。若出现 DMA 与 CPU 同时经总线访问主存，CPU 总把总线占有权让给 DMA，DMA 的这种占有称‘周期窃用’，窃取的时间一般为一个存取周期，让设备和主存之间交换数据，而且在 DMA 周期窃取期间，CPU不用干预，还能做运算操作。这样可减轻CPU的负担，每次传送数据时，不必进入中断系统，进一步提高了 CPU 的资源利用率。
通道方式
DMA 方式与程序中断方式相比，使得CPU对IO的干预从字(字节) 为单位的减少到以数据块为单位。而且，每次 CPU干予时，并不要做数据拷贝，仅仅需要发一条启动 I/O 指 令 ，以及完成 I/O 结束中断处理。
但是，每发出一次I/O指令，只能读写一个数据块，如果用户希望一次读写多个离散的数据块，并能把它们传送到不同的内存区域，或相反时，则需要由CPU分别发出多条启动I/O指令及进行多次 I/O 中断处理才能完成。
通道方式进一步减少了CPU对I/O操作的干予，减少为对多个数据块，而不是仅仅一个数据块，及有关管理和控制的干予。
通道又称输入输出处理器。它能完成主存储器和外围设备之间的信息传送，与中央处理器并行地执行操作。
采用输入输出通道设计后，输入输出操作过程如下：
1. 中央处理机在执行主程序时遇到输入输出请求
2. 启动指定通道上选址的外围设备，一旦启动成功，通道开始控制外围设备进行操作。
3. 这时中央处理器就可执行其它任务并与通道并行工作，直到输入输出操作完成。
4. 通道发出操作结束中断时，中央处理器才停止当前工作，转向处理输入输出操作结束事件。
按照信息交换方式和加接设备种类不同，通道可分为三种类型：
通道类型
字节多路通道
它是为连接大量慢速外围设备，如软盘输入输出机、纸带输入输出机、卡片输入输出机、控制台打字机等设置的。以字节为单位交叉地工作，当为一台设备传送一个字节后，立即转去为另一台设备传送一个字节。在IBM370系统中，这样的通道可接 256 台设备。
选择通道
它用于连接磁带和磁盘快速设备。以成组方式工作，每次传送一批数据；故传送速度很高，但在这段时间只能为一台设备服务。每当一个输入输出操作请求完成后，再选择与通道相连接的另一设备。
数组多路通道
对于磁盘这样的外围设备，虽然传输信息很快，但是移臂定位时间很长。
1. 如果接在字节多路通道上，那么通道很难承受这样高的传输率；
2. 如果接在选择通道上，那么；磁盘臂移动所花费的较长时间内，通道只能空等。
数组多路通道可以解决这个矛盾，它先为一台设备执行一条通道命令，然后自动转换，为另一台设备执行一条通道命令。
对于连接在数组多路通道上的若干台磁盘机，可以启动它们同时进行移臂，查找欲访问的柱面，然后，按次序交叉传输一批批信息，这样就避免了移臂操作过长地占用通道。由于它在任一时刻只能为一台设备作数据传送服务，这类似于选择通道；但它不等整个通道程序执行结束就能执行另一设备的通道程序命令，这类似于字节多路通道。
设备控制器
设备控制器是 CPU 和设备之间的一个接口,它接收从 CPU
发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和设备之间的数据传输操作。
设备控制器是一个可编址设备,当它连接多台设备时,则应具有多个设备地址。
设备控制器的主要功能为：
1. 接收和识别 CPU 或通道发来的命
令,例如磁盘控制器能接收读、写、查找、搜索等各种命令;
2. 实现数据交换,包括设备和控制器之间的数
据传输;通过数据总线或通道,控制器和主存之间的数据传输;
3. 发现和记录设备及自身的状态信息,供 CPU
处理使用;
4. 设备地址识别。