操作系统——I/O设备

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。

分类：

1、按设备使用特性分类：

人机交互类外部设备
数据传输速度慢

存储设备
数据传输速度快

网络通信设备
数据传输速度介于上述两者之间

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2、按传输速率分类：

低速设备

中速设备

高速设备

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3、按信息交换的单位分类：

块设备
传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块

字符设备
传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式

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I/O设备

机械部分

电脑显示器、键盘鼠标等看得见摸得着的东西

电子设备（I/O控制器、设备控制器）

通常是插入主板扩充槽的印刷电路板

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l/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

功能：
1、接受和识别CPU发出的命令。I/O设备会设置控制寄存器
2、向CPU报告设备的状态。I/O设备会设置状态寄存器
3、数据交换。I/O设备会设置数据寄存器
4、地址识别。为了区分设备控制器中的各个寄存器

注意：
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。

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I/O控制方式

程序直接控制方式

完成一次读/写操作的流程
轮询

CPU干预的频率：
很频繁，/0操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/0完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。

数据传送的单位：
每次读/写一个字

数据的流向：
读操作(数据输入) : I/O设 备→CPU→内存
写操作(数据输出) :内存→CPU→I/O设备

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需要一直轮询检查,长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。

中断驱动方式

在CPU发出一次读写命令时，就会在I/O设备相应之前干其他的事，等I/O完成后，控制器会向CPU发送一个中断信号，然后继续执行。
与程序直接控制方式的区别在于中断驱动方式在等的时候干别的事
完成一次读/写操作的流程

CPU干预的频率：
每次I/0操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
等待I/0完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。

数据传送的单位：
每次读/写一个字

数据的流向：
读操作(数据输入) : I/O设 备→CPU→内存
写操作(数据输出) :内存→CPU→I/O设备

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/0已完成，CPU不再 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。

DMA方式

直接存储器存放，主要用于块设备的I/O控制。
完成一次读/写操作的流程


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/O命令，或设备的状态信息。

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。

数据传送的单位：
每次读/写一个或多个块(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)

数据的流向：
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

优点:
数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过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。

通道控制方式

一种硬件，通道可以识别并执行一系列通道指令。
刚开始CPU向通道发送指令，包括要进行的操作以及一些信息。然后通道收到后开始替CPU干活，CPU就可以去干其他的事请，等通道做完后，就发送一个中断信息给CPU。
完成一次读/写操作的流程

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- -组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。

数据传送的单位：
每次读/写一组数据块

数据的流向：
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

优点:
CPU、通道、I/0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

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I/O软件层次结构

越上面的层次越接近用户
越下面的层次越接近硬件

用户层软件：
实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作。
用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务。

设备独立性软件
又称为设备无关性软件，与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。
功能：
①向上提供统一的调用接口（如：write/read系统调用）
②设备的保护
③差错处理
④设备的分配与回收
⑤数据缓冲区管理
⑥建立逻辑设备名（用户看到的）到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- -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。

设备驱动程序
主要负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令(如read/write)转化成特定设备“能听得懂”的一系列操作。包括设置设备寄存器;检查设备状态等。

不同的/O设备有不同的硬件特性，具体细节只有设备的厂家才知道。因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序。

中断处理程序
当I/O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。

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