一、I/O设备

1.1 I/O设备的基本概念

• I/O，Input/Output：输入/输出
• I/O 设备：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相同的方式对外部设备进行操作

1.2 I/O设备的分类

• 按使用特性分：
  • 人机交互类外设（数据传输速度慢）：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互
  • 存储设备（数据传输速度快）：移动硬盘、光盘等——用于数据存储
  • 网络通信设备（数据传输速度介于上述二者间）：调制解调器等——用于网络通信
• 按传输速率分：
  • 低速设备：鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节
  • 中速设备：如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节
  • 高速设备：如磁盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备
• 按信息交换的单位分：
  • 块设备（传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块）：如磁盘等——数据传输的基本单位是“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）：鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符

二、I/O控制

2.1 I/O控制器

• I/O设备：机械部件、电子部件（I/O控制器、设备控制器）
  • 机械部件主要用来执行具体I/O操作，如鼠标/键盘的按钮、显示器的LED屏、移动硬盘的磁臂、磁盘盘面
  • 电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板
• CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此，I/O设备需要一个电子部件作为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，即I/O控制器，又称设备控制器
• CPU控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件

2.1.1 I/O控制器主要功能

• 接受和识别CPU发出的命令：如CPU发来的 read/write 命令，I/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数
• 向CPU报告设备的状态：I/O控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态，如：1表示空闲，0表示忙碌
• 数据交换：I/O控制器中会设置相应的数据寄存器
  • 输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送设备
  • 输入时，数据寄存器用于暂存设备发来的数据，之后CPU从数据寄存器中取走数据
• 地址识别：类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”；I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读/写的是哪个寄存器

2.1.2 I/O控制器组成

• 一个I/O控制器可能会对应多个设备
• 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

2.1.3 两种寄存器编址方式

• 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
  

2.2 I/O控制方式

2.2.1 程序直接控制方式

1. 完成一次读/写操作的流程（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：每个字的读/写都需要CPU的帮助
   • 读操作（数据输入）：I/O设备 → 内存；
   • 写操作（数据输出）：内存 → 设备
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需要一直轮询检查，长期处于**“忙等”状态** ，CPU利用率低
     

2.2.2 中断驱动方式

1. 完成一次读/写操作的流程（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（数据输入）：I/O设备 → CPU → 内存
   • 写操作（数据输出）：内存 → CPU → /O设备
5. 主要缺点和主要优点
   • 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

2.2.3 DMA方式

• DMA方式（ Direct Memory Access，直接存储器存取）：主要用于块设备的I/O控制
  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
  

1. 完成一次读/写操作的流程
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 → 设备
5. 主要缺点和主要优点
   • 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

2.2.4 通道控制方式

• 通道：一种硬件，可以理解为是 “弱鸡版的CPU”，通道可以识别并执行一系列通道指令
• 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
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（数据输入）：I/O设备 → 内存
   • 写操作（数据输出）：内存 → I/O设备
5. 主要缺点和主要优点
   • 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
   • 优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高

三、I/O软件层次结构

• I/O软件层次

四、输入/输出管理

4.1 输入/输出应用程序接口

4.2 设备驱动程序接口

五、I/O核心子系统

假脱机技术SPOOLing

设备的分配与回收

缓冲区管理