大话操作系统之I/O

I/O设备管理

什么是I/O设备

I/O 即 input/output 就是（输入/输出）

操作系统作为系统资源的管理者，不仅要对主机内部设备如CPU，内存，外存等设备进行管理，还需要对主机外部设备进行管理。
I/O设备通常是指外部设备，例如鼠标，键盘即为输入型设备，显示器即为输出型设备；但I/O设备也包含内部设备例如，外存(磁盘)，网卡等；（鼠标，键盘为字符型设备，输入输出以字符为单位，采用中断驱动的方式。磁盘为块设备，输入输出以磁盘块大小为单位）

类UNIX系统中将外设抽象为一种特殊的文件，用户可以用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。write写入数据，read读出数据。

I/O设备控制器

CPU是无法直接控制I/O设备的机械部件的，必须通过控制I/O控制器，再由I/O控制器来操作I/O设备，间接的实现CPU对I/O设备的操作。

I/O控制器的功能

1. 接收和识别CPU发出的I/O指令
   如CPU发来的read/write命令，I/O控制器会有相应的控制寄存器来存放命令和参数。

2. 向CPU报告设备的状态
   I/O控制器会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态。例如忙碌，空闲，故障，以便让CPU知晓。

3. CPU和I/O设备数据交换中转
   I/O控制器中会设置相应的数据寄存器，输出时，用于暂存CPU发来的数据，之后再由I/O控制器传送给机械设备，输入时，用于暂存机械设备发来的数据，之后CPU从数据寄存器中取走数据。

4. 地址识别
   类似内存地址，为了区分不同I/O设备，的输入和输出。也需要给各个寄存器来划分地址，I/O控制器，通过CPU发来的地址来判断，CPU要调用读/写那个寄存器。

   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读写操作流程见下图：
   

CPU执行程序完成一次I/O设备，读/写操作的步骤：

1. CPU执行程序通过控制总线向I/O控制器接口发送读操作，I/O控制器运行命令，启动设备，并将设备状态寄存器设为1(未就绪，因为CPU的速度比I/O设备块，所以CPU得等待I/O设备)。
2. CPU执行 轮询检查程序，检查I/O控制器的状态寄存器的状态。(其实就是在不断的执行程序循环，若状态一直是1，说明设备还没准备好输入数据，于是CPU会不断的轮询执行检查程序)
3. 输入设备准备好数据后将数据传给I/O控制器，并报告自身状态。
4. I/O控制器将输入的数据存放到，数据寄存器，并修改状态寄存器状态为0（已就绪）。
5. CPU执行的轮询程序，发现状态寄存器的设备状态已就绪。即可将数据寄存器的内容，读入到CPU寄存器，再把CPU寄存器中的内容放入内存。(例如用scanf输入命令参数，参数最后还是要赋值给内存程序中的变量，相反如果执行printf打印命令，需要将内存中的变量输出到显示设备中)。

非阻塞I/O模型：
因为CPU在当前进程上一直在执行轮询检查I/O状态。所以放到这道作业的执行上过程上来讲是非阻塞的。
非阻塞I/O模型特点：
CPU干预率：很频繁，CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于"忙等"状态。
缺点：cpu利用率低。
数据传送单位：每次读/写入一个字
读操作数据流向：I/O设备->CPU->内存
写操作数据流向：内存->CPU->I/O设备
同步异步：同步执行模式。
关键词：轮询。

中断驱动方式

正式因为程序直接控制方式，程序执行需要一直忙等导致CPU利用率底下等问题，我们引入的中断机制。中断驱动方式完成一次读写操作流程如下图：

在中断驱动模式下，CPU执行程序完成一次I/O读写操作步骤：

1. CPU通过控制总线向I/O控制器接口发送读命令，CPU将等待I/O的进程阻塞。切换到别的进程进行执行。
2. I/O控制器接受CPU命令，启动I/O设备,准备数据。
3. 外设准备好数据，将数据传送给I/O控制器，I/O控制器向CPU发送中断信号。
4. CPU检测到中断信号，保存当前执行进程运行上下文环境，转去执行中断处理程序去处理该中断。
5. CPU从I/O控制器中的数据寄存器读取一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入内存中。接着CPU恢复执行因等待I/O数据阻塞的进程的上下文运行环境，然后继续执行。
   注意：cpu会在每个指令周期末尾检查中断；中断处理过程需要保护，恢复进程的运行环境，这是需要一定时间开销的。如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

阻塞IO模型：
因为CPU在发送I/O指令以后，可以阻塞当前进程，切换执行其他进程。当前作业执行过程是阻塞的。CPU并没有在这个进程上进行忙等。
CPU干预率：每次I/O之前，完成之后需要CPU介入，等待I/O完成之前，CPU执行其他进程。CPU利用率明显提高，
缺点：每个字在I/O设备和内存之间传输都需要经过CPU，频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
数据传送单位：每次读/写入一个字
读操作数据流向：I/O设备->CPU->内存
写操作数据流向：内存->CPU->I/O设备
同步异步：同步执行模式。（此进程处于"闲等"，进程并没有去做其他事情或者完成）
关键词：中断。

DMA方式

因为中断一次只能从I/O设备读取一个字，并且得通过CPU再到内存，导致浪费CPU资源。因此引入了DMA方式（Direct Memory Access，直接存储器存取，主要用于块设备的I/O控制）
具体步骤不在赘述；相较于中断做出了一下改进。

• 数据传送单位是磁盘块，不在是以一个字为单位；
• 数据流向是从设备直接流向内存，或者从内存直接到设备，不需要CPU作为"快递小哥"
• 仅在传送一个或者多个块的开始和结束时需要CPU干预，进一步提升效率。

DMA控制器也是I/O控制器的一种，和一般I/O控制器的区别在于数据的传输不进过CPU了。系统将数据从I/O外设读入到内存的任务交给DMA控制器去做，DMA控制器把输入数据一个字一个字的放到DR数据寄存器中，等DR数据达到一个或者规定的多个块以后再由DMA控制器写入内存，DMA控制向CPU发出中断指令；唤起进程执行后续处理。数据传输效率和CPU利用率大幅提高。

通道控制模式

通道控制模式是DMA模式的升级版，可以一次性传输一组数据，由通道硬件支持。
通道：一种硬件，可以理解为是一个弱鸡版的CPU，通道可以识别并执行一系列通道指令，也就是CPU把把任务清单交给通道。通道接管I/O。
简单理解一下下图不再赘述。

缓冲区

进行I/O操作的时候，由于CPU速度快，I/O设备速度慢，如果CPU每次都向I/O设备输出一个字符，就得产生中断，等待I/O设备，导致大量中断CPU利用率低，为了解决数据传输速度不匹配的问题，需要在内存中开辟一块存储空间作为缓冲区。

缓冲区的作用
CPU输出数据的时候，可以把数据快速入缓冲区，之后就可以做别的事情了，慢速的I/O设备可以慢慢的从缓冲区中取走数据，等I/O完成以后再向CPU发出中断信号。CPU在此期间可以做更多的事情，同时提高了CPU与I/O设备直接的并行性。

单缓冲

用户进程请求磁盘读入若干块的数据，若采用单缓冲策略，操作系统会在主存中为，其分配一个缓冲区。

注意：

• 当缓冲区非空时，不能往缓冲区输入数据，只能从缓冲区输出数据。
• 当缓冲区为空时，不能从缓冲区输出数据，可以往缓冲区输入数据，但是必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据输出。

管道通信中的"管道"其实就是缓冲区。要实现双向传输，必须设置两个管道。

缓冲池

缓冲池由系统中共用的缓冲区组成，这些缓冲区按使用情况可以分为：空缓冲队列，装满输入数据的缓冲队列（输入队列），装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。

另外可以根据一个缓冲区实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：

• 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）
• 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）
• 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）
• 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）