操作系统——I/O设备管理（1）

计算机系统中不同类型的输入输出设备，如何对它们进行管理，使得各种设备资源能够得到充分、合理的利用，这是操作系统的一个主要的任务。

1、I/O硬件

电子专业的人关心的是硬件本身，他们看待输入输出设备是由芯片，导线，电源等等组成的一个硬件。

计算机专业的人从操作系统的角度看待输入输出设备，他们关心的是如何对它们进行编程。也就是这个硬件接受得控制指令是什么，完成的功能是什么，返回结果是什么等等。

1.1、I/O设备的类型

设备的交互对象来分：

• 人机交互对象：视频显示器，键盘，鼠标，打印机等
• 与计算机交互的设备：磁盘，磁带，传感器等
• 计算机之间的通信设备：网卡，调制解调器等

设备的交互方向：

• 输入设备：键盘，鼠标，扫描仪等
• 输出设备：显示器，打印机等
• 双向交互设备：磁盘，网卡等

按照数据的组织方式：

• 块设备：以数据块来作为信息的存储和传输单位，如磁盘
• 字符设备：以字符来作为信息的存储和传输单位，数据即字节流，只能顺序访问。如鼠标，串口，键盘等

1.2、设备控制器（适配器）

• 仅仅有输入输出设备是不能实现它们的功能的，在输入和输出设备与CPU和内存之间还必须有一个对应的控制器。设备和对应的控制器相互合作才能完成相应的功能。

之所以把两者分开，而不是合二为一，是因为这样的话，在设计的时候能够更加模块化、更加通用。

• 控制器和适配器的区别：适配器一般是印刷电路卡的形式，它可以很方便地插入到主板的扩充槽中。控制器一般是一组芯片，它主要是集成在主板上或者是I/O设备内部的。但是适配器和控制器的功能是一样的，都是完成设备与主机之间的连接和通信。
• 在设备控制器上通常都有一个插槽，可以用电缆把它和相应的输入输出设备连接起来。在控制器和输入输出设备之间的接口可以定义为一个标准接口。
• 例如：显示器连接在显卡上，显卡插在主板上。其它设备都有相应的控制器。

1.3、I/O地址

每一种输入输出设备都有一个相应的设备控制器，设备与设备控制器结合起来，才能完成相应的输入输出功能。

输入输出设备本身并不能直接跟CPU打交道，而是通过它的设别控制器跟CPU打交道。具体来讲，每个设备控制器里都有一些寄存器，用于和CPU进行通信，包括控制寄存器（控制设备发送数据，接收数据，打开或关闭等操作），状态寄存器（了解该设备的当前状态，就绪或忙碌）和数据寄存器等等。

但是CPU如何与这些控制寄存器以及数据缓冲区进行通信呢？

CPU如何访问它们的内容，解决方法主要有三种：

• I/O独立编址：给所有设备控制器中的每一个寄存器分配一个唯一的I/O端口编号，也称为I/O端口地址，然后用专门的输入输出指令来对这些端口进行操作。（IN，OUT指令）
• 内存映像编址：把所有设备控制器中的每一个寄存器都映射为一个内存地址，专门用于输入输出操作。端口地址空间和内存地址空间是统一编址的，总共只有一个地址空间，端口地址空间是内存地址空间的一部分，一般位于内存地址的高端，而地址低端为普通的内存地址。

优点：第一，编程方便，不需要专门的输入输出指令。第二，对普通内存的所有操作指令都可以用于输入输出端口。

缺点：第一，不能对控制寄存器的内容进行Cache，必须关闭。因为为了确保每次读入的都是新值，必须直接去访问I/O端口。第二，每一次都要判断访问的是内存还是I/O。

• 混合编址：把两种编址方法结合起来。对于设备控制器当中的寄存器来说，采用的是I/O独立编址的方法，每一个寄存器都有一个独立的I/O端口地址。但是对于设备的数据缓冲区来说，采用的是内存映像编址的方法，把它们的地址统一到内存地址空间中。

根据以上的知识，I/O设备的类型，设备控制器以及I/O端口地址，能不能编程使用这些设备，来完成相应的输入输出功能？采用I/O控制方式。

2、I/O控制方式

当我们要给一个硬件设备编写驱动程序，如何让它正常地运转起来，这就需要用到I/O控制方式。 I/O控制就是要与I/O设备的设备控制器的各种寄存器进行通信。

当前的I/O控制方式主要有三种：程序循环检测方式（Programmed I/O）、中断驱动方式（Inerrupt-driven I/O）和直接内存访问方式（Direct Memory Access）。

2.1、程序循环检测方式

程序循环检测方式：在进行I/O操作之前要不断地检测该设备的控制器中的状态寄存器，看它是否空闲。如果空闲，就向控制器发出一条命令，启动这次I/O操作。

然后，在这个操作的进行过程中，也要循环地检测设备的当前状态，看它是否已经完成。最后，在I/O操作完成之后，如果这是一次输入操作，那么就要把读进来的数据保存到内存中的某个位置。

总之，完成I/O的整个过程中，控制I/O设备的所有工作都是由CPU来完成的。

缺点：在进行一个I/O操作时，要一直占用着CPU，这样就会浪费CPU的时间。

2.2、中断驱动方式

循环检测的控制方式会占用大量的CPU时间，为了让CPU在等待I/O完成的时候去执行其它的进程。我们采用中断技术，这种方法被称为是中断驱动的控制方式。

中断控制器负责管理系统中的所有的I/O中断，只有它才能向CPU发出中断请求。对于I/O设备，当它需要发送中断时，不是直接发给CPU，而是先发给中断控制器，并由它来决定是否要转发给CPU。

过程：

• 当一个I/O设备完成了CPU交给它的任务的时候，它的控制器就会向中断控制器发出一个信号，中断控制器会判断一下，看看当前是否有一个中断正在处理，或者是否有一个优先级更高的中断。如果没有，就开始处理这个中断。
• 一方面，中断控制器把一个编号放在地址总线上，这个编号指明是哪一个设备发出的中断请求。另一方面，它会向CPU发出一个中断信号。
• 然后，CPU就会中断当前的工作，并且用这个编号作为索引去访问一个中断向量表。在这个向量表里存放的是中断处理程序的起始地址，这样就能跳转到该程序执行了，中断程序是对刚才的I/O操作的继续执行。
• 当中断处理程序运行不久后，就向中断控制器发出一个确认信号，表示这个中断已经被处理。这时，中断控制器就可以发出新的中断请求了。

2.3直接内存访问方式

• 在中断驱动方式中，每一次的数据读写都是通过CPU来完成的，而且每次处理的数据量很少，因此中断的次数就很多，中断需要额外的系统开销，因此会浪费CPU的时间。
• I/O操作一般分为两个阶段。第一个阶段是CPU或内存与设备控制器之间的通信。第二个阶段是设备控制器与I/O设备之间的通信。

如果是一次 写操作，那么在I/O操作启动时，CPU需要把数据从内存中写入到设备控制器内部的缓冲区，然后设备控制器自己去和I/O设备打交道，把这些数据写到设备上。

如果是一次 读操作，CPU先给控制器发信号，让它去启动I/O操作，把数据读入到控制器内部的缓冲区中，然后CPU再把这些数据读入到内存中。

每次只能传送一个字节或一个字，因此如果交换的数据量比较大，就会浪费大量的CPU时间。解决方法是：采用直接内存访问（Direct Memory Access，DMA）的控制方式，采用硬件的方式来实现I/O数据的移动。

不使用DMA方式，而是使用中断驱动的控制方式，来实现从磁盘上读取一个数据块：

• CPU向磁盘控制器发出命令，读取一个数据块。（由CPU执行）
• 磁盘控制器从磁盘驱动器中一位接着一位地读取这个数据块，一直到整个数据块都保存在控制器内部的缓冲区中。（硬件完成）
• 磁盘控制器通过校验位来验证这个数据块是否传送正确，如果正确，就向CPU发出一个中断。（硬件完成）
• 当操作系统执行一个循环，从控制器的数据寄存器中，读取一个字节保存在内存中。（由CPU执行）

如果使用DMA控制器硬件来完成第四步，则CPU会省出更多的时间去执行其它的进程。

下面介绍使用DMA控制器以后，从磁盘上读取一个数据块的过程：

• CPU对DMA控制器进行编程，对它的各个寄存器的值进行设置，告诉它应该把数据传送到内存的什么地方。然后DMA向磁盘控制器发出命令，让它从磁盘中读取数据保存在自己的数据缓冲区中。
• DMA控制器通过总线向磁盘控制器发出一个读操作的请求信号，并且把将要写入的内存地址打在总线上。
• 磁盘控制器从内部缓冲区中取出一个字节，按照DMA控制器给的地址写入到内存中。
• 当这个写操作完成之后，磁盘控制器让DMA发出一个确认信号。然后DMA控制器就会把内存地址加1，把需要传送的字节数减1，就转到第二步继续执行。
• 当所有的数据传送完毕之后，DMA控制器就向CPU发出一个中断，告诉它数据传输已经完成。这样当中断处理程序开始运行时，它就知道，从磁盘中读出来的数据块已经在DMA的控制下，被传送到了内存中。也就是说，当中断发生时，这个I/O操作也完成了。