# 5.1 I/O管理概述 ## 5.1.1 I/O设备 I/O设备就是可以将数据输入或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。 按照**使用特征**，I/O设备可以分为以下几类： * 人机交互设备 * 存储设备 * 网络通信设备 按照**传输速度**，I/O设备可以分为以下几类： * 低速设备：键盘鼠标等 * 中速设备：打印机等 * 高速设备：硬盘等 按照**信息交互的单位**，I/O设备可以分为以下几类： * 块设备 * 以数据块为单位进行信息交互 * 读取速度快 * 可寻址（可以随机的读写任意一块） * 字符设备 * 传输的基本单位是字符 * 读取速度慢 * 不可寻址 * 输入输出采用中断驱动方式 ## 5.1.2 I/O子系统的层次结构 ### 1、I/O设备的电子部件（I/O控制器） I/O设备的机械部分就是具体的执行机构，例如键盘的机械轴、硬盘的磁头、盘片等。 CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件用于实现CPU对设备的控制。 这个电子部件就是**I/O控制器**，又称**设备控制器**。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。 #### （1）I/O控制器的功能 * 接收和识别CPU发出的命令 * 通过I/O控制器中的**控制寄存器**来存放相应指令和参数 * 向CPU报告设备的状态 * 通过I/O控制器中的**状态寄存器**记录当前I/O设备的状态 * 数据交换 * 通过I/O控制器中的**数据寄存器**暂存准备传入或传出的数据 * 地址识别 #### （2）I/O控制器的组成 ![](/files/-MjMx7cOgMUa6V73SSI6) * CPU与控制器的接口（图中左半部分整体） * CPU通过控制线发出命令 * 通过地址线指明要操作的设备 * 通过数据线存/取数据 * I/O逻辑 * 接收和识别CPU发来的各种指令 * 对设备发出指令 * 控制器与设备的接口 * 用于实现控制器与设备之间的通道 * 数据线传输数据 * 状态线向控制器反馈当前设备状态 * 控制器通过控制线向相应的设备发送控制信号 {% hint style="warning" %} 1. 由于一个I/O控制器可能连接多个I/O设备，因此数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器的数量也可能会有多个（一个设备对应一个） 2. 这些寄存器都需要有相应的地址以便CPU寻址操作。其中 * 有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为**内存映像I/O** * 控制器中断寄存器与内存地址统一管理 * 简化了指令，可以采用操作内存的指令来操作控制器 ✔ * 另一些计算机则采用I/O专用地址，即**寄存器独立编址** * 控制器中的寄存器使用单独的地址 * 需要设置专门的指令来操作控制器 ❌ * 不仅需要指明寄存器地址，还要指明控制器编号 ❌ {% endhint %} ### 2、I/O软件层次结构 * 越上面的层次越接近用户；越下面的层次越接近硬件 * 每一层利用其下层提供的服务，实现某些功能，封装后再向上一级提供服务 ![](/files/-MjOENie17OeeEoryMyQ) * 用户层软件 * 提供了与用户交互的接口，用户可以直接使用该层提供的**库函数**对I/O设备进行操作 * 将用户的请求进行翻译，通过**系统调用**请求操作系统内核的服务 * 设备独立性软件（设备无关软件） * 向上层提供调用接口 * 对设备的保护，与对文件的保护类似 * 差错处理 * 设备的分配与回收 * 数据缓冲区管理 * 建立逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系，并选择调用相应的驱动程序 * 通过\*\*逻辑设备表（LUT）\*\*实现 * 可以整个系统一张LUT，也可以每个用户一张LUT（类似两级目录） * 设备驱动程序 * 将抽象要求转化为具体要求 * 检查I/O请求的合法性 * 了解I/O设备状态、传递相关参数、设置设备工作方式 * 发出I/O操作命令，启动I/O设备 * 响应通道的中断请求 * 构造通道程序 * 中断处理程序 * 当I/O任务完成时，I/O控制器会发出**中断信号**，系统会根据此信号找到相应的**中断处理程序**并执行 ## 5.1.3 I/O控制方式 ### 1、程序直接控制方式 #### （1）完成一次读/写操作的流程 1. CPU向I/O控制器发出命令 2. I/O控制器检查设备状态，并返回给CPU 3. 若设备可用，且无报错，则将要读/写的数据在CPU和数据寄存器之间完成转存 4. 完成读/写操作 5. 检查读/写操作是否完成，未完成则继续 ![](/files/-MjOLSmIyiqZ8K9sigv_) 核心思想：**轮询** #### （2）CPU干预的频率 非常频繁。操作开始前、完成后、中间等待过程中均需要CPU不断地轮询检查。 #### （3）数据传输的单位 每次读/写**一个字** #### （4）数据的流向 * 读操作 * I/O设备 → CPU → 内存 * 写操作 * 内存 → CPU → I/O设备 每个字的读写都需要CPU的协助 #### （5）优缺点 * 优点 * 实现简单 * 缺点 * CPU和I/O设备只能串行工作 * CPU一直执行轮询操作，处于**忙等**状态 ### 2、中断驱动方式 #### （1）完成一次读/写操作的流程 1. 由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可**将等待I/O的进程阻塞**，先切换到别的进程执行 2. 当I/O操作完成后，控制器会向CPU发出一个**中断信号**，CPU检测到中断信 号后，会**保存当前进程的运行环境信息**，转去执行中断处理程序处理该中断 3. 处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。 4. 接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行 ![](/files/-MjOW3Plf1rIiK5P0PkN) #### （2）CPU干预的频率 操作开始前、完成后需要CPU介入。 中间等待过程中CPU可以切换到别的进程运行。 #### （3）数据传输的单位 每次读/写**一个字** #### （4）数据的流向 * 读操作 * I/O设备 → CPU → 内存 * 写操作 * 内存 → CPU → I/O设备 #### （5）优缺点 * 优点 * 相对于程序直接控制方式，CPU利用率明显提升 * CPU和I/O设备可以并行的工作 * 缺点 * 每个字在I/O设备和内存之间的传输都需要经过CPU，频繁的中断会造成较大的开销 ### 3、DMA（直接存储器存取） 与上两种相比，DMA方式： * 数据的传送单位是**块**，不再是一个字一个字的传送 * 数据的流向是**从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备**。不再需要CPU作为中转 * 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预 **DMA控制器实际上也是一种I/O控制器**，相较于普通的I/O控制器，DMA设有以下四种寄存器： * **DR（数据寄存器）**：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据 * **MAR（内存地址寄存器）** * 在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置 * 输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置 * **DC（数据计数器）**：表示剩余要读/写的字节数 * **CR（命令/状态寄存器）**：存放CPU发来的指令或是设备的状态信息 （1）完成一次读/写操作的流程 ![](/files/-MjRfh8LMDCslppg-mdF) #### （2）CPU干预的频率 在传输一个（或多个）数据块开始和结束时才需要CPU干预 #### （3）数据传输的单位 每次读/写**一个（或多个）块** 每次读/写的块必须是**连续的块**，且在其存入内存后也必须是连续的。 #### （4）数据的流向 * 读操作 * I/O设备 → 内存 * 写操作 * 内存 → I/O设备 #### （5）优缺点 * 优点 * 数据传输以块为单位 * CPU介入频率降低，数据传输效率更高 * CPU和I/O设备并行性提高 * 缺点 * 当读/写多个离散的数据块、或者将数据写进不同的内存区域时，需要发出多次I/O指令，进行多次中断才能完成 ### 4、通道控制方式 **通道**：一种硬件，可以理解为是“弱化版的CPU”。通道可以识别并执行一系列**通道指令**。 #### （1）完成一次读/写操作的流程 1. CPU向通道发出I/O指令 * 指明通道程序在内存中的位置 * 指明要操作的是哪个I/O设备 * 之后CPU切换到其他进程执行 2. 通道执行内存中的通道程序 * 要读入/读出多少数据 * 读/写的数据应存放在内存中的什么地址 3. 通道执行完任务后发出中断信号，CPU处理中断信号 #### （2）CPU干预的频率 在传输一个（或多个）数据块开始和结束时才需要CPU干预 #### （3）数据传输的单位 每次读/写**一个（或多个）块** 每次读/写的块必须是**连续的块**，且在其存入内存后也必须是连续的。 #### （4）数据的流向 * 读操作 * I/O设备 → 内存 * 写操作 * 内存 → I/O设备 #### （5）优缺点 * 优点 * I/O设备、通道、CPU可以并行的工作 * 资源利用率很高 * 缺点 * 实现复杂 * 需要专门的通道硬件支持 ## 5.1.4 I/O应用程序接口 应用程序I/O接口位于**用户层软件**与**系统独立性软件**之间，给不同类型的设备提供接口 ### 1、字符设备接口 * **设备类型** * 键盘 * 打印机 * …… * **传输单位**：字符 * **系统调用** * **put/get**：向设备读/写一个字符 ### 2、块设备接口 * **设备类型** * 磁盘 * …… * **传输单位**：块 * **系统调用** * **seek**：修改读写指针位置 * **read/write**：向读写指针位置读/写数据 ### 3、网络设备接口 * **系统调用** * **socket**：创建一个网络套接字，指明网络协议（TCP/UDP） * **bind**：将套接字绑定到某个本地端口 * **connect**：将套接字连接到远程主机 * **read/write**：从套接字读/写信息 ### 4、阻塞态/非阻塞I/O * **阻塞I/O**：发出I/O调用后，进程转为阻塞态等待 * 例：字符设备接口，从键盘读一个字符 * **非阻塞I/O**：发出I/O调用后，进程无需阻塞等待 * 例：块设备接口，向磁盘写数据 --- # Agent Instructions: Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://aye10032.gitbook.io/os/di-wu-zhang-shu-ru-shu-chu-io-guan-li/5.1-io-guan-li-gai-shu.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.