操作系统之I/O设备：分类、组成与控制方式-优快云博客

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I/O设备的分类

按传输速率

低速设备：如鼠标、键盘，它们的传输速率相对较低，适用于简单、少量的数据传输。
中速设备：例如激光打印机，传输速率适中，适用于中等规模的数据处理。
高速设备：如磁盘、光盘，传输速率高，适用于大量数据的快速处理。

按信息交换单位

块设备：可寻址，能够随机读写任意块，如磁盘。它们以数据块为单位进行信息交换。
字符设备：不可寻址，通常采用中断I/O方式，如打印机。它们以字符为单位进行信息交换。

I/O设备的组成

机械部件

I/O设备通常包含机械部件，如磁盘的读写头、打印机的打印头等。

电子部件

I/O接口（设备控制器）：负责与CPU和设备之间的通信。

功能

接收识别CPU发来的命令。
数据交换（设备与控制器、控制器与主存）。
标识和报告设备状态。
地址识别。
数据缓冲。
差错控制。

I/O端口：设备控制器中可被CPU直接访问的寄存器。

方式

独立编址。
统一编址。

I/O控制方式

程序直接控制方式

在程序直接控制方式中，CPU直接管理I/O操作，通常是通过执行特定的I/O指令来实现数据的传输。这种方式下，CPU在数据传输期间会持续监控I/O设备的状态，直到传输完成。

读写单位：字（Word）。这意味着CPU每次读写操作都是以一个字为单位，这个字的长度通常是CPU的字长，比如32位或64位。

特点：

简单性：实现起来比较简单，适用于简单的I/O操作。
效率低：CPU在等待I/O操作完成时，不能进行其他任务，导致CPU利用率低。

中断驱动方式

中断驱动方式是一种更为高效的I/O控制方式。在这种方式下，CPU发起I/O操作后可以继续执行其他任务。当I/O设备准备好数据传输时，它会发送一个中断信号给CPU，CPU响应中断并处理数据传输。

读写单位：字（Word）。与程序直接控制方式类似，中断驱动方式也是以字为单位进行数据的读写。

特点：

效率高：CPU在等待I/O操作完成时可以执行其他任务，提高了CPU的利用率。
响应中断：需要硬件和操作系统支持中断机制。

DMA方式

DMA（Direct Memory Access）方式是一种允许I/O设备直接与内存进行数据传输的技术，而无需CPU的介入。DMA控制器负责管理数据传输，从而释放CPU进行其他计算任务。

读写单位：数据块（Block）。DMA操作通常以数据块为单位进行，这意味着每次传输可以是一个或多个连续的字，而不是单个字。

特点：

高速传输：由于DMA直接在内存和I/O设备之间传输数据，因此可以显著提高数据传输速率。
减少CPU负载：CPU只需初始化DMA传输，之后就可以处理其他任务，直到传输完成。

I/O软件层次结构

用户层I/O软件

- 用户程序

- 库函数

系统调用层

- 系统调用接口

I/O调度层

- 设备无关的I/O软件

- 设备驱动程序接口

设备驱动层

- 设备驱动程序

- 中断服务例程

硬件层

- 硬件设备

- 设备控制器

应用程序I/O接口

字符设备接口

get/put系统调用：读写一个字符。

块设备接口

read/write系统调用：向块设备读写多字符。
seek：修改指针位置。

网络设备接口（网络套接字接口）

socket：创建一个网络套接字。
bind：套接字绑定某“端口”。
connect：套接字连接到远程地址。
read/write：从套接字读/写数据。

阻塞/非阻塞I/O

阻塞I/O：程序发出I/O系统调用后，进程转为阻塞态。
非阻塞I/O：程序发出I/O系统调用后，无需阻塞。