操作系统-I/O

I/O特点

设备分类

• 字符设备

  • 以字节为单位顺序访问
  • 通常使用文件访问接口和语义

• 块设备

  • 均匀的数据块访问
  • 通常使用I/O命令访问
    • 原始I/O和文件系统接口
    • 内存映射文件访问

• 网络设备

  • 格式化的报文交换
  • I/O命令
    • send/receive 网络报文
    • 通过网络接口支持多种协议

同步异步 I/O

• 阻塞I/O：wait
• 非阻塞I/O：do not wait
• 异步I/O：tell me later

I/O 结构

• 北桥 高速设备
• 南桥 I/O设备

设备寄存器

• CPU和I/O设备的接口
• 向CPU提供特殊指令和寄存器

I/O地址

• CPU用来控制I/O硬件
• 内存地址或端口号
  • I/O指令
  • 内存映射I/O

CPU与设备的通讯方式

轮询、中断、DMA

I/O指令

• 通过I/O端口号访问设备寄存器
• 特殊的CPU指令
  • out 0x21，AL

内存映射I/O

• 设备的寄存器/存储被映射到内存地址空间中
• 通过内存 load/store 指令完成I/O操作
• MMU设置映射，硬件跳线或程序在启动时设置地址

内核I/O

I/O请求生命周期

I/O数据传输

程序控制I/O

• 通过CPU in/out load/store传输所有数据
• 特点
  • 硬件简单，编程容易
  • 消耗CPU时间和数据量成正比

DMA

• 设备控制器可直接访问系统总线
• 控制器与内存互相传输数据
• 特点
  • 设备传输数据不影响CPU
  • 需要CPU参与设置

直接寻址读取

I/O设备通知操作系统的方式

• 操作系统需要了解设备状态

  • I/O操作完成时间
  • I/O操作遇到的错误

• 两种方式

  • CPU主动轮询：状态寄存器
  • 设备中断

磁盘调度和缓存

TBD