计算机操作系统（OS）——P5设备管理

1、I/O设备的概念和分类

什么是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。

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。

​ Write操作：向外部设备写出数据

​ Read：从外部设备读入数据

I/O设备的分类——按使用特性

• 人机交互类外部设备：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互，其数据传输速度慢。
• 存储设备：移动光盘、光盘——用于存储数据，其数据传输速度快。
• 网络通信设备：调制解调器等——用于网络通信，数据传输速度基于以上二者之间。

I/O设备的分类——按传输速率分类

• 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。

I/O设备的分类——按信息交换的单位分类

• 块设备：磁盘，移动硬盘等——数据传输的基本单位是“块”。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：鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是“字符”。传输速率较低，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式。

知识回顾：

2、I/O控制器

I/O设备的组成：

• 机械部件
• 电子部件（I/O控制器，设备控制器）

I/o设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如，我们看得到摸得着的鼠标、键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。

I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。

2.1、I/O设备的电子部件（I/O控制器）的功能

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I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

I/O控制器的功能：

• 接收和识别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给设备。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。

2.2、I/O控制器的组成

【细节】（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。

内存映像I/O VS 寄存器独立编址：

内存映像I/O优点：简化了指令，可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作。

寄存器独立编址缺点：需要设置专门的指令实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还需要指明控制器的编号。

知识回顾：

3、I/O控制方式

I/O控制方式——用什么样的方式来控制I/O设备的数据读/写。

I/O控制方式分类：

• 程序直接控制方式
• 中断驱动方式
• DMA方式
• 通道控制方式

使用以上I/O控制方式需要注意的几个问题：

• 完成一次读/写操作的流程
• CPU干预的频率
• 数据传送的单位
• 数据的流向
• 主要缺点和主要优点

5.1、程序直接控制方式

1、完成一次读/写操作的流程：

其中的关键是轮询

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（CPU寄存器）——>内存

写操作（数据输出）：内存——>CPU——>I/O设备

每个字的读/写都需要CPU的帮助

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（因此称为”程序直接控制方式“）

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作（在I/O准备阶段，CPU不能做其它的事情，只能轮询检查），CPU需要一直轮询检查，长期处于”忙等“，CPU利用率低

5.2、中断驱动方式

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程运行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其它进程）的运行环境，然后继续执行。

【注意】（1）CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；（2）中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

1、完成一次读/写操作的流程，如下：

2、CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU接入

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——>I/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不再需要不停的轮询。CPU和I/O设备可以并行工作，CPU利用率得到明显提升

缺点：每次只能传送一个字，并且每个字在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

5.3、DMA方式

DMA方式（Direct Memory Access，直接存储器存取）。

相较于”中断驱动方式“，主要用于块设备的I/O控制有这样几个改进：

• 数据的传送单位是”块“。不再是一个字、一个字的传递；
• 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。不在需要CPU作为中介；
• 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

【注】将数据读入内存直接由DMA控制器完成，不在使用CPU将数据读入内存。CPU只有2次工作：（1）CPU向I/O模块发送指令（读/写）（2）CPU处理中断

DMA控制器，也是I/O控制器的一种，但略有不同。

DMA控制器组成，如下：

1、完成一次读/写操作的流程，如下：

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再内存中也必须是连续的）

4、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

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。如果想要读/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。

5.4、通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解是削弱版的CPU。通道可以识别并执行一系列通道指令。

为什么说通道时削弱版的CPU呢？因为与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，通道可以识别并执行一系列通道指令。

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。

通道控制实现过程：

通道程序有一系列的通道指令组成

一个通道可以控制多个I/O控制器，一个I/O控制器可以对应多个I/O设备。

1、完成一次读/写操作的流程，如下图。

2、CPU干预频率

极低，通道会根据CPU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（输入数据）：I/O设备——>内存

写操作（输出数据）：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

5.5、I/O控制方式总结

	完成一次读/写的过程	CPU干预频率	每次I/O的数据传输单位	数据流向	优缺点
程序直接控制方式	CPU发出I/O命令后需要不断轮询	极高	字	读操作：I/O设备——>CPU——>内存 写操作：内存——>CPU——>I/O设备
中断驱动方式	CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号	高	字	读操作：I/O设备——>CPU——>内存 写操作：内存——>CPU——>I/O设备