操作系统-I/O设备

2024-02-16 19:44:58

I/O设备综述

I/O设备定义

I/O设备是硬件中由人（或其他系统）使用与计算机进行通信的部件。

例如，键盘或鼠标是计算机的输入设备，而监控器和打印机是输出设备。计算机之间的通信设备（如电信调制解调器和网卡）通常运行输入和输出操作。操作系统需要控制计算机的所有I/O设备。

I/O设备划分

根据信息交换的单位可讲I/O设备可分为块设备（block device）和字符设备（character device）两种。

块设备：由于信息的存取总是以数据块为单位，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高，以及可寻址，即对它可随机地读/写任一块。
字符设备：用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常釆用中断驱动方式。

该划分不一定能包括所有的I/O设备，比如说时钟（按照预先设置好的时间间隔去产生中断）。

标准设备与标准模型

系统架构

一个典型的计算机系统架构如下图：

为何该系统是分层的结构？

物理布局（越快的总线越短，因此高性能的内存总线没有足够的空间连接太多设备）
造价成本（在工程上高性能总线的造价非常高）

采用分层结构，可以让要求高性能的设备（比如显卡）离 CPU 更近一些，低性能的设备离 CPU 远一些。

标准设备

假定I/O设备是如下图所示的一种标准设备（非真实存在的设备）

一个标准设备包含两部分：

硬件接口（interface）。所有设备都有自己的特定接口以及典型交互的协议，系统软件通过该接口来控制设备的操作。
内部结构（internal structure）。这部分包含设备相关的特定实现，负责具体实现设备展示给系统的抽象接口。非常简单的设备通常用一个或几个芯片来实现它们的功能。更复杂的设备（RAID，廉价冗余磁盘阵列）会包含简单的 CPU、一些通用内存、设备相关的特定芯片，来完成它们的工作。

标准协议

标准设备中包含3个寄存器：

状态（status）寄存器，可以读取并查看设备的当前状态。
命令（command）寄存器，用于通知设备执行某个具体任务/
数据（data）寄存器，将数据传给设备或从设备接收数据。

通过读写这些寄存器，操作系统可以控制设备的行为。假设操作系统与标准设备交互的标准协议如下：

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

标准协议分为4步：

操作系统反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接收命令的就绪状态，即轮询（polling）设备。
操作系统下发数据到数据寄存器。
操作系统将命令写入命令寄存器。
操作系统再次通过不断轮询设备，等待并判断设备是否执行完成命令。

I/O设备的编址方式

独立编址

I/O端口独立编址即内存地址空间与外设地址空间是相互独立的。

对I/O设备的访问需要使用明确的 I/O 指令（in/out，通常为特权指令）。这些指令规定了操作系统将数据发送到特定设备寄存器的方法，从而允许构造标准协议。

统一编址

内存映射 I/O（memory- mapped I/O）：将每个I/O端口当作一个存储单元看待，端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址。

当需要访问设备寄存器时，操作系统装载（读取）或者存入（写入）到该内存地址；然后硬件会将装载/存入转移到设备上，而不是物理内存。

基本输入输出方式

轮询

轮询，即操作系统通过反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接收命令的就绪状态。

情况1，轮询：进程 1 在 CPU 上运行一段时间（对应 CPU 那一行上重复的 1），然后发出一个读取数据的 I/O 请求给磁盘。操作系统简单自旋，不断轮询设备状态，直到设备完成 I/O 操作（对应其中的 p）。当设备完成请求的操作后，进程 1 又可以继续运行。

中断

通过中断（interrupt）可以减少 CPU 开销。有了中断后，CPU 不再需要不断轮询设备，而是向设备发出一个请求，然后就可以让对应进程睡眠，切换执行其他任务。当设备完成了自身操作，会抛出一个硬件中断，引发 CPU 跳转执行操作系统预先定义好的中断服务例程（Interrupt Service Routine，ISR），或更为简单的中断处理程序（interrupt handler）。中断处理程序是一小段操作系统代码，它会结束之前的请求（比如从设备读取到了数据或者错误码）并且唤醒等待 I/O 的进程继续执行。

情况2，中断：在磁盘处理进程 1 的请求时，操作系统在 CPU 上运行进程 2。磁盘处理完成后，触发一个中断，然后操作系统唤醒进程 1 继续运行。这样，在这段时间，无论 CPU 还是磁盘都可以有效地利用。

直接存储器存取（DMA）

DMA（Direct Memory Access）。DMA 引擎是系统中的一个特殊设备，它可以协调完成内存和设备间的数据传递，不需要 CPU 介入。

为了能够将数据传送给设备，操作系统会通过编程告诉 DMA 引擎数据在内存的位置，要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备。在此之后，操作系统就可以处理其他请求了。当 DMA 的任务完成后，DMA 控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成数据传输。

情况3，不使用DMA的一般情况：进程 1 在运行过程中需要向磁盘写一些数据，所以它开始进行 I/O 操作，将数据从内存拷贝到磁盘（其中标示 c 的过程）。拷贝结束后，磁盘上的 I/O 操作开始执行，此时 CPU 才可以处理其他请求。

情况4，使用DMA：数据的拷贝工作都是由 DMA 控制器来完成的。因为 CPU 在此时是空闲的，所以操作系统可以让它做一些其他事情，比如此处调度进程 2 到 CPU 来运行。因此进程 2 在进程 1 再次运行之前可以使用更多的 CPU。

reference

[1] wiki

[2] 操作系统导论（ostep）

[3] 现代操作系统

[4] 微型计算机原理与接口技术

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