49、操作系统 I/O 接口与内核子系统深度解析

操作系统 I/O 接口与内核子系统深度解析

1. I/O 硬件基础概念回顾

在电子硬件设计层面，I/O 的硬件方面十分复杂，但掌握以下主要概念有助于理解操作系统的许多 I/O 特性：
- 总线 ：用于连接计算机各组件，实现数据传输。
- 控制器 ：管理设备的操作和数据传输。
- I/O 端口及其寄存器 ：I/O 端口是设备与计算机通信的接口，寄存器用于存储和传输数据。
- 主机与设备控制器的握手关系 ：确保两者之间的数据传输协调一致。
- 握手的执行方式 ：通过轮询循环或中断实现。
- DMA 控制器的工作卸载 ：对于大量数据传输，将工作卸载给 DMA 控制器，提高效率。

然而，市面上设备种类繁多，每种设备都有其独特的功能、控制位定义和与主机交互的协议。这给操作系统开发者带来了挑战，如何设计操作系统，使得在不重写系统的情况下添加新设备，以及为应用程序提供统一便捷的 I/O 接口，是亟待解决的问题。

2. 应用程序 I/O 接口

为了使 I/O 设备能以标准、统一的方式处理，操作系统采用了抽象、封装和软件分层的方法。通过识别几种通用类型，将 I/O 设备的详细差异抽象掉，每种通用类型通过一组标准化的函数（即接口）进行访问。这些差异被封装在称为设备驱动程序的内核模块中，设备驱动程序内部针对特定设备进行定制，但对外提供标准接口。

以下是内核 I/O 结构的示意