操作系統-I/O設備

I/O設備綜述

I/O設備定義

I/O設備是硬件中由人（或其他系統）使用與計算機進行通信的部件。

例如，鍵盤或鼠標是計算機的輸入設備，而監控器和打印機是輸出設備。計算機之間的通信設備（如電信調制解調器和網卡）通常運行輸入和輸出操作。操作系統需要控制計算機的所有I/O設備。

I/O設備划分

根據信息交換的單位可講I/O設備可分為塊設備（block device）和字符設備（character device）兩種。

• 塊設備：由於信息的存取總是以數據塊為單位，所以存儲信息的設備稱為塊設備。它屬於有結構設備，如磁盤等。磁盤設備的基本特征是傳輸速率較高，以及可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊。
• 字符設備：用於數據輸入/輸出的設備為字符設備，因為其傳輸的基本單位是字符。它屬於無結構類型，如交互式終端機、打印機等。它們的基本特征是傳輸速率低、不可尋址，並且在輸入/輸出時常釆用中斷驅動方式。

該划分不一定能包括所有的I/O設備，比如說時鍾（按照預先設置好的時間間隔去產生中斷）。

標准設備與標准模型

系統架構

一個典型的計算機系統架構如下圖：

為何該系統是分層的結構？

1. 物理布局（越快的總線越短，因此高性能的內存總線沒有足夠的空間連接太多設備）
2. 造價成本（在工程上高性能總線的造價非常高）

采用分層結構，可以讓要求高性能的設備（比如顯卡）離 CPU 更近一些，低性能的設備離 CPU 遠一些。

標准設備

假定I/O設備是如下圖所示的一種標准設備（非真實存在的設備）

一個標准設備包含兩部分：

1. 硬件接口（interface）。所有設備都有自己的特定接口以及典型交互的協議，系統軟件通過該接口來控制設備的操作。
2. 內部結構（internal structure）。這部分包含設備相關的特定實現，負責具體實現設備展示給系統的抽象接口。非常簡單的設備通常用一個或幾個芯片來實現它們的功能。更復雜的設備（RAID，廉價冗余磁盤陣列）會包含簡單的 CPU、一些通用內存、設備相關的特定芯片，來完成它們的工作。

標准協議

標准設備中包含3個寄存器：

1. 狀態（status）寄存器， 可以讀取並查看設備的當前狀態。
2. 命令（command）寄存器，用於通知設備執行某個具體任務/
3. 數據（data）寄存器，將數據傳給設備或從設備接收數據。

通過讀寫這些寄存器，操作系統可以控制設備的行為。假設操作系統與標准設備交互的標准協議如下：

While (STATUS == BUSY)
 ; // wait until device is not busy
Write data to DATA register
Write command to COMMAND register
 (Doing so starts the device and executes the command)
While (STATUS == BUSY)
 ; // wait until device is done with your request 

標准協議分為4步：

1. 操作系統反復讀取狀態寄存器，等待設備進入可以接收命令的就緒狀態，即輪詢（polling）設備。
2. 操作系統下發數據到數據寄存器。
3. 操作系統將命令寫入命令寄存器。
4. 操作系統再次通過不斷輪詢設備，等待並判斷設備是否執行完成命令。

I/O設備的編址方式

獨立編址

I/O端口獨立編址即內存地址空間與外設地址空間是相互獨立的。

對I/O設備的訪問需要使用明確的 I/O 指令（in/out，通常為特權指令）。這些指令規定了操作系統將數據發送到特定設備寄存器的方法，從而允許構造標准協議。

統一編址

內存映射 I/O（memory- mapped I/O）：將每個I/O端口當作一個存儲單元看待，端口與存儲器單元在同一個地址空間中進行編址。

當需要訪問設備寄存器時，操作系統裝載（讀取）或者存入（寫入） 到該內存地址；然后硬件會將裝載/存入轉移到設備上，而不是物理內存。

基本輸入輸出方式

輪詢

輪詢，即操作系統通過反復讀取狀態寄存器，等待設備進入可以接收命令的就緒狀態。

情況1，輪詢：進程 1 在 CPU 上運行一段時間（對應 CPU 那一行上重復的 1），然后發出一個讀取數據的 I/O 請求給磁盤。操作系統簡單自旋，不斷輪詢設備狀態，直到設備完成 I/O 操作（對應其中的 p）。當設備完成請求的操作后，進程 1 又可以繼續運行。

中斷

通過中斷（interrupt）可以減少 CPU 開銷。有了中斷后，CPU 不再需要不斷輪詢設備，而是向設備發出一個請求，然后就可以讓對應進程睡眠，切換執行其他任務。當設備完成了自身操作，會拋出一個硬件中斷，引發 CPU 跳轉執行操作系統預先定義好的中斷服務例程（Interrupt Service Routine，ISR），或更為簡單的中斷處理程序（interrupt handler）。中斷處理程序是一小段操作系統代碼，它會結束之前的請求（比如從設備讀取到了數據或者錯誤碼）並且喚醒等待 I/O 的進程繼續執行。

情況2，中斷：在磁盤處理進程 1 的請求時，操作系統在 CPU 上運行進程 2。磁盤處理完成后，觸發一個中斷，然后操作系統喚醒進程 1 繼續運行。這樣，在這段時間，無論 CPU 還是磁盤都可以有效地利用。

直接存儲器存取（DMA）

DMA（Direct Memory Access）。DMA 引擎是系統中的一個特殊設備， 它可以協調完成內存和設備間的數據傳遞，不需要 CPU 介入。

為了能夠將數據傳送給設備，操作系統會通過編程告訴 DMA 引擎數據在內存的位置，要拷貝的大小以及要拷貝到哪個設備。在此之后，操作系統就可以處理其他請求了。當 DMA 的任務完成后，DMA 控制器會拋出一個中斷來告訴操作系統自己已經完成數據傳輸。

情況3，不使用DMA的一般情況：進程 1 在運行過程中需要向磁盤寫一些數據，所以它開始進行 I/O 操作，將數據從內存 拷貝到磁盤（其中標示 c 的過程）。拷貝結束后，磁盤上的 I/O 操作開始執行，此時 CPU 才 可以處理其他請求。

情況4，使用DMA：數據的拷貝工作都是由 DMA 控制器來完成的。因為 CPU 在此時是空閑的，所以操作系統可以讓它做一些其他事情，比如此處調度進程 2 到 CPU 來運行。 因此進程 2 在進程 1 再次運行之前可以使用更多的 CPU。

reference

[1] wiki

[2] 操作系統導論（ostep）

[3] 現代操作系統

[4] 微型計算機原理與接口技術