操作系统学习笔记（十三）－－ 输入输出系统

最近开始学习操作系统原理这门课程，特将学习笔记整理成技术博客的形式发表，希望能给大家的操作系统学习带来帮助。同时盼望大家能对文章评论，大家一起多多交流，共同进步！

本文主要分以下几个方面：

• I/O硬件
• 应用于I/O的接口
• 内核I/O子系统

I/O硬件：

相关概念：控制器(controller)，总线(bus)，端口(port)

设备均有地址，用于：

• I/O直接指令
• 控制器信息映射到内存 Memory-mapped I/O

控制器寄存器，一般包含四个寄存器：

• Data-in：暂时存放读入数据，写入CPU
• Data-out：存储到外设的数据
• Status
• Control

CPU控制外设读写的方式：

1. 轮循方式 Polling

• 检查设备的状态：就绪(command-ready)，忙碌(busy)，出错(error)
• 会造成CPU对外设的忙等(busy-waiting)

2. 终端方式 Interrupts

• CPU有中断请求线(Interrupt-request line)，由I/O设备触发
• 中断处理器接收终端
• 多数CPU由两类中断请求线：
  • 非屏蔽(nonmaskable)
  • 屏蔽->忽略或延时处理
• 中断处理可基于优先级，有些中断不可屏蔽
• 中断的相应处理机制也可用于处理异常(exception)，在这里异常类似于trap（自陷）的概念

中断实现的I/O循环：

Direct Memory Access(DMA)：

• 用于大规模数据传输；
• 需要DMA控制器
• 在I/O设备和内存间直接传输数据，绕过CPU

使用DMA传输数据的步骤：

1. 告知设备控制器传输数据的地址
2. 设备控制器告诉磁盘控制器向缓存中地址为X的空间传输大小为C字节的数据
3. 磁盘控制器初始化DMA传输
4. 磁盘控制器按字节向DMA控制器传输
5. DMA控制器向缓存X传数据，提高内存地址并减小C直到C等于0
6. 当C=0时，DMA向CPU发出中断请求，完成数据传输

块设备：磁盘，操作包括读，写，查询；

字符型设备：键盘，鼠标，串口，操作包括读(get)和写(put)

内核I/O子系统 Kernal I/O Subsystem

• Caching 缓存－高速存放数据备份的内存（内存和寄存器之间）
  • 永远都只是拷贝
  • 性能关键
• Buffering －在设备间传输数据时用来存放数据
  • 用来解决传输速度不匹配问题
  • 用来解决传输数据内容大小不匹配问题
• Spooling(Simultaneous Peripheral Operation On-Line)
  • 用于保存输入输出设备，如果每个设备智能同时服务一个请求（例如打印机）
  • 将独占型设备改造为可共享的虚设备

组成：

1. 输入井，输出井：用于暂时存放输入和输出数据

2. 工作进程，输出进程

3. 内存的缓存

错误处理：

• OS可从不同错误状态中恢复
• 大多数情况返回错误码
• 会以系统日志的形式记录错误