【操作系统】IO

最近在看《现代操作系统》一书，这本书讲解操作系统的结构比较清晰，做一个总结。该书主要以软件层次和硬件层次两个角度来讲解。

IO硬件：

第一个就是IO的设备了，比如磁盘，键盘等。

第二个是设备控制器，这个在计算机内部，会包含若干接口，这个部件负责从设备读取或者向设备写入数据，并且提供了校验功能。这个设备内部有一个缓冲区，缓冲区包括了控制寄存器和数据区。cpu与设备进行交互，会把命令发送到设备控制器的控制寄存器中，然后控制器读取到命令，再操作设备完成任务。通过控制寄存器，cpu和设备可以交互。当要传输数据的时候，需要缓冲区作为中介，这是为什么？主要有两个原因，第一是有些数据需要组装或者校验，因此必须缓存一部分，以至接收到一个分组的单元，比如块。第二个原因是速度的差异，这个可以联想到进程中的生产者-消费者经典案例，如果不缓存设备的数据而是直接交给cpu处理，那么设备发送数据的速度是恒定的，但是cpu可能干其他事没有时间理会设备发来的数据，那么这些数据就会丢失，所以因为cpu处理数据和设备处理数据的速度差异导致了必须设立一个缓冲区。

明白了设备控制器上的缓冲区以后，那么cpu是如何与缓冲区通信呢？

第一种方法就是为每一个控制寄存器或者缓冲区设置一个端口号，相当于加上了一个标识；

第二种方法叫做内存映射IO，就是直接用一块内存作为缓冲区，通常位于地址0开始的地方。设备管理器会直接把从设备中读取的数据放置在内存的缓冲区中。那么之前不是说无法直接将数据放入内存吗？开始我也理解不了，貌似有点矛盾。仔细想想，其实这里的两个写入内存是不同的概念，之前指的是不用缓冲区，读来的数据立即被cpu使用，这种情况由于速度不同步等原因无法实现。而这里指的是使用缓冲区，只不过缓冲区在内存上而已，即设备控制器把数据缓冲到了一块位于内存中的缓冲区上。

第三个是DMA，当数据已经到了缓冲上，cpu就要使用缓冲区上的数据了，这时cpu需要执行拷贝操作，DMA的思路是把cpu从拷贝缓冲区的工作中解脱出来，这些事情不需要cpu来做，反而交给了DMA来做，DMA本身就像一个专门用作IO的处理器一样，可以独立cpu来使用总线，那么如果cpu要读取设备上的内容，cpu只需要对DMA编程，告诉它读取什么信息，读取完以后放到哪里等等这样的信息，然后cpu就可以去做其他事情了，剩余的IO任务由DMA代劳。这样做的好处是cpu是一个通用的执行单元，如果他来做IO那么效率不高，因为cpu需要上下文切换，代价比较高，而且应该让cpu去处理一些通用的任务，比如进程，而不是IO。相反，DMA确是一个专门干IO的单元，它执行所有的IO任务不需要上下文切换，效率更高。

上图是使用DMA的一次读操作，首先cpu对DMA编程，然后设备控制器把数据读入到自己的缓冲区，DMA指示设备控制器把缓冲数据写入合适的内存位置，中断。

IO软件：

几种IO机制：

（1）轮询法：cpu需要IO操作时，一直检测IO的控制寄存器直到其为可用时执行IO任务，这种方式，等待浪费了太多时间。

（2）中断IO：为了改善轮询法，当设备繁忙时cpu可以做其他任务，一旦设备可用，通过中断让cpu执行之前被挂起的IO。

（3）DMA：需要有DMA硬件的支持，cpu执行一次IO，把任务交给DMA，DMA完成以后再中断。相比较单纯的中断，DMA方式减少了中断的次数，其实中断也是很耗费cpu的。

设备的驱动程序：设备控制器只是硬件设备，cpu要通过设备的驱动程序来控制设备，整体的构架如图：