【操作系统】I/O管理概述

1.什么是输入输出设备？

I/O就是“输入/输出”，将数据输入到计算机，或者接收计算机的数据输出到外部设备。

1.1 I/O设备分类

• 按使用特性：
  • 人机交互类外部设备；
  • 存储设备；
  • 网络通信设备；
• 按传输速率：
  • 低速设备；
  • 中速设备；
  • 高速设备；
• 按信息交换单位：
  • 块设备；
  • 字符设备（底层都是字节）；

1.2 I/O设备的构成

• 机械部件：比如键盘、鼠标的按键和按钮，用来执行具体的I/O操作；
• 电子部件：即I/O控制器、设备控制器，是CPU与硬件设备之间的桥梁；

2. I/O控制器

2.1 I/O控制器主要作用

• 接收并识别CPU命令；
• 向CPU报告设备状态；
• 数据交换；
• 地址识别；

2.2 I/O控制器的组成

I/O控制器有三部分构成：

• CPU与控制器间的接口；
• I/O逻辑；
• 控制器与设备间的接口；

整个I/O控制器的工作图如下：

I/O控制器中有多种寄存器（相当于缓存）分别保存不同类型数据。上图中实线框部分就是I/O控制器的组成，左边是CPU，右边是IO设备。要注意的是：每个设备都会对应一组各自的寄存器。

2.3 I/O控制方式

2.3.1 程序直接控制方式

过程：

1. 首先CPU通过控制线发送IO命令；
2. 控制器修改状态寄存器相应设备的状态（是否输入/输出完成）；
3. IO设备进行数据读写；
4. 将数据保存在数据寄存器；
5. 数据通过数据总线传输至CPU；
6. 如果输入输出完成，还要修改状态寄存器状态；

这种方式需要CPU不断轮询状态寄存器（CPU速度太快，等待输入输出的完成，再继续运算），因此导致CPU频繁干预，降低了CPU的利用率；每次只能读/写一个字（如32位系统一个字为：32bit/8bit=4B）;

注意：该方式读操作的顺序为 设备–>CPU–>CPU寄存器（高速缓存）–>内存。

2.3.2 中断驱动方式

中断驱动的方式将依赖中断程序，CPU不再不断轮询状态寄存器，从而克服了“忙等”的问题。

过程：

1. CPU执行读/写指令，通过控制下传输指令，通过地址线传输地址信息；
2. 执行中断程序，CPU将此IO进程阻塞，同时将状态寄存器的状态改为忙碌；
3. 进行外部设备数据的读/写；
4. 将数据存放至数据寄存器中；
5. 如果已经写完（大小为一个字）数据到寄存器，修改状态寄存器状态为空闲；同时向CPU发送新的中断指令，告诉CPU已经输入完成；
6. CPU检查状态寄存器状态是否已经是空闲；通过数据总线将数据传输至CPU；

虽然解决了CPU“忙等”问题，但是每次依旧只能读/写一个字，这样没读/写一个字就进行中断操作，将会导致中断程序过于频繁的执行，从而影响了计算机的整体效率。

2.3.3 DMA方式

DMA，即“直接内存访问”方式，不同于上面两种方式，它的数据寄存器直接与内存交换数据，明显提高了效率。而且在进行IO操作时，不再每次仅仅读写一个字，传输单位变成了“块”（磁盘的盘块，概念可以参考磁盘文件管理方式）。

上图是DMA方式的一个流程图，其中的DR是数据寄存器，DC是数据计数器，MAR是内存地址寄存器，CR是状态寄存器。

过程：

1. CPU发起读/写指令；调用中断程序，将当前进程阻塞；
2. 修改状态寄存器状态，设备开始进行读/写；
3. 输入数据存放于DR数据寄存器中，同时通过数据计数器统计当前读取的数据量；这里的读操作会读取连续盘块的数据，当寄存器满或者一个块读取完成且下一盘块不相邻，调用中断程序，根据内存寄存器中的地址信息，将数据寄存器中数据刷入内存中；
4. 读/写完成，修改状态寄存器的状态；

可以看到，DMA方式已经大大提升了IO效率（以块为传输单位、CPU和IO可以并行），但是假如文件存放的离散盘块很多，也会频繁触发中断程度，导致效率的下降。

2.3.4 通道控制方式

通道控制方式，增加了专门用于处理IO的硬件，将之前CPU所负责的工作和相关寄存器的功能都进行了集成。而且每次都读写一组数据块，最大化的减少了因IO而导致的中断程序调用。

过程：

1. CPU发送IO指令到IO通道硬件；
2. 读取内存中的通道程序；
3. IO设备进行数据读/写；
4. 数据读/写完成，调用中断程序，并告知CPU可以继续执行；