大話操作系統之I/O

I/O設備管理

什麼是I/O設備

I/O 即 input/output 就是（輸入/輸出）

操作系統作爲系統資源的管理者，不僅要對主機內部設備如CPU，內存，外存等設備進行管理，還需要對主機外部設備進行管理。
I/O設備通常是指外部設備，例如鼠標，鍵盤即爲輸入型設備，顯示器即爲輸出型設備；但I/O設備也包含內部設備例如，外存(磁盤)，網卡等；（鼠標，鍵盤爲字符型設備，輸入輸出以字符爲單位，採用中斷驅動的方式。磁盤爲塊設備，輸入輸出以磁盤塊大小爲單位）

類UNIX系統中將外設抽象爲一種特殊的文件，用戶可以用與文件操作相同的方式對外部設備進行操作。write寫入數據，read讀出數據。

I/O設備控制器

CPU是無法直接控制I/O設備的機械部件的，必須通過控制I/O控制器，再由I/O控制器來操作I/O設備，間接的實現CPU對I/O設備的操作。

I/O控制器的功能

1. 接收和識別CPU發出的I/O指令
   如CPU發來的read/write命令，I/O控制器會有相應的控制寄存器來存放命令和參數。

2. 向CPU報告設備的狀態
   I/O控制器會有相應的狀態寄存器，用於記錄I/O設備的當前狀態。例如忙碌，空閒，故障，以便讓CPU知曉。

3. CPU和I/O設備數據交換中轉
   I/O控制器中會設置相應的數據寄存器，輸出時，用於暫存CPU發來的數據，之後再由I/O控制器傳送給機械設備，輸入時，用於暫存機械設備發來的數據，之後CPU從數據寄存器中取走數據。

4. 地址識別
   類似內存地址，爲了區分不同I/O設備，的輸入和輸出。也需要給各個寄存器來劃分地址，I/O控制器，通過CPU發來的地址來判斷，CPU要調用讀/寫那個寄存器。

   I/O控制方式

   程序直接控制方式

   程序直接控制方式，完成一次I/O讀寫操作流程見下圖：
   

CPU執行程序完成一次I/O設備，讀/寫操作的步驟：

1. CPU執行程序通過控制總線向I/O控制器接口發送讀操作，I/O控制器運行命令，啓動設備，並將設備狀態寄存器設爲1(未就緒，因爲CPU的速度比I/O設備塊，所以CPU得等待I/O設備)。
2. CPU執行 輪詢檢查程序，檢查I/O控制器的狀態寄存器的狀態。(其實就是在不斷的執行程序循環，若狀態一直是1，說明設備還沒準備好輸入數據，於是CPU會不斷的輪詢執行檢查程序)
3. 輸入設備準備好數據後將數據傳給I/O控制器，並報告自身狀態。
4. I/O控制器將輸入的數據存放到，數據寄存器，並修改狀態寄存器狀態爲0（已就緒）。
5. CPU執行的輪詢程序，發現狀態寄存器的設備狀態已就緒。即可將數據寄存器的內容，讀入到CPU寄存器，再把CPU寄存器中的內容放入內存。(例如用scanf輸入命令參數，參數最後還是要賦值給內存程序中的變量，相反如果執行printf打印命令，需要將內存中的變量輸出到顯示設備中)。

非阻塞I/O模型：
因爲CPU在當前進程上一直在執行輪詢檢查I/O狀態。所以放到這道作業的執行上過程上來講是非阻塞的。
非阻塞I/O模型特點：
CPU干預率：很頻繁，CPU和I/O設備只能串行工作，CPU需要一直輪詢檢查，長期處於"忙等"狀態。
缺點：cpu利用率低。
數據傳送單位：每次讀/寫入一個字
讀操作數據流向：I/O設備->CPU->內存
寫操作數據流向：內存->CPU->I/O設備
同步異步：同步執行模式。
關鍵詞：輪詢。

中斷驅動方式

正式因爲程序直接控制方式，程序執行需要一直忙等導致CPU利用率底下等問題，我們引入的中斷機制。中斷驅動方式完成一次讀寫操作流程如下圖：

在中斷驅動模式下，CPU執行程序完成一次I/O讀寫操作步驟：

1. CPU通過控制總線向I/O控制器接口發送讀命令，CPU將等待I/O的進程阻塞。切換到別的進程進行執行。
2. I/O控制器接受CPU命令，啓動I/O設備,準備數據。
3. 外設準備好數據，將數據傳送給I/O控制器，I/O控制器向CPU發送中斷信號。
4. CPU檢測到中斷信號，保存當前執行進程運行上下文環境，轉去執行中斷處理程序去處理該中斷。
5. CPU從I/O控制器中的數據寄存器讀取一個字的數據傳送到CPU寄存器，再寫入內存中。接着CPU恢復執行因等待I/O數據阻塞的進程的上下文運行環境，然後繼續執行。
   注意：cpu會在每個指令週期末尾檢查中斷；中斷處理過程需要保護，恢復進程的運行環境，這是需要一定時間開銷的。如果中斷髮生的頻率太高，也會降低系統性能。

阻塞IO模型：
因爲CPU在發送I/O指令以後，可以阻塞當前進程，切換執行其他進程。當前作業執行過程是阻塞的。CPU並沒有在這個進程上進行忙等。
CPU干預率：每次I/O之前，完成之後需要CPU介入，等待I/O完成之前，CPU執行其他進程。CPU利用率明顯提高，
缺點：每個字在I/O設備和內存之間傳輸都需要經過CPU，頻繁的中斷處理會消耗較多的CPU時間。
數據傳送單位：每次讀/寫入一個字
讀操作數據流向：I/O設備->CPU->內存
寫操作數據流向：內存->CPU->I/O設備
同步異步：同步執行模式。（此進程處於"閒等"，進程並沒有去做其他事情或者完成）
關鍵詞：中斷。

DMA方式

因爲中斷一次只能從I/O設備讀取一個字，並且得通過CPU再到內存，導致浪費CPU資源。因此引入了DMA方式（Direct Memory Access，直接存儲器存取，主要用於塊設備的I/O控制）
具體步驟不在贅述；相較於中斷做出了一下改進。

• 數據傳送單位是磁盤塊，不在是以一個字爲單位；
• 數據流向是從設備直接流向內存，或者從內存直接到設備，不需要CPU作爲"快遞小哥"
• 僅在傳送一個或者多個塊的開始和結束時需要CPU干預，進一步提升效率。

DMA控制器也是I/O控制器的一種，和一般I/O控制器的區別在於數據的傳輸不進過CPU了。系統將數據從I/O外設讀入到內存的任務交給DMA控制器去做，DMA控制器把輸入數據一個字一個字的放到DR數據寄存器中，等DR數據達到一個或者規定的多個塊以後再由DMA控制器寫入內存，DMA控制向CPU發出中斷指令；喚起進程執行後續處理。數據傳輸效率和CPU利用率大幅提高。

通道控制模式

通道控制模式是DMA模式的升級版，可以一次性傳輸一組數據，由通道硬件支持。
通道：一種硬件，可以理解爲是一個弱雞版的CPU，通道可以識別並執行一系列通道指令，也就是CPU把把任務清單交給通道。通道接管I/O。
簡單理解一下下圖不再贅述。

緩衝區

進行I/O操作的時候，由於CPU速度快，I/O設備速度慢，如果CPU每次都向I/O設備輸出一個字符，就得產生中斷，等待I/O設備，導致大量中斷CPU利用率低，爲了解決數據傳輸速度不匹配的問題，需要在內存中開闢一塊存儲空間作爲緩衝區。

緩衝區的作用
CPU輸出數據的時候，可以把數據快速入緩衝區，之後就可以做別的事情了，慢速的I/O設備可以慢慢的從緩衝區中取走數據，等I/O完成以後再向CPU發出中斷信號。CPU在此期間可以做更多的事情，同時提高了CPU與I/O設備直接的並行性。

單緩衝

用戶進程請求磁盤讀入若干塊的數據，若採用單緩衝策略，操作系統會在主存中爲，其分配一個緩衝區。

注意：

• 當緩衝區非空時，不能往緩衝區輸入數據，只能從緩衝區輸出數據。
• 當緩衝區爲空時，不能從緩衝區輸出數據，可以往緩衝區輸入數據，但是必須把緩衝區充滿以後，才能從緩衝區把數據輸出。

管道通信中的"管道"其實就是緩衝區。要實現雙向傳輸，必須設置兩個管道。

緩衝池

緩衝池由系統中共用的緩衝區組成，這些緩衝區按使用情況可以分爲：空緩衝隊列，裝滿輸入數據的緩衝隊列（輸入隊列），裝滿輸出數據的緩衝隊列（輸出隊列）。

另外可以根據一個緩衝區實際運算中扮演的功能不同，又設置了四種工作緩衝區：

• 用於收容輸入數據的工作緩衝區（hin）
• 用於提取輸入數據的工作緩衝區（sin）
• 用於收容輸出數據的工作緩衝區（hout）
• 用於提取輸出數據的工作緩衝區（sout）