OS-5.1 I/O管理简述

IO设备的分类

按使用特性分类：

人机交互类IO
存储设备
网络通信设备

按传输速率分类：

低速设备（eg鼠标，键盘）
中速设备（eg激光打印机）
高速设备（eg移动硬盘）

按信息交换设备的单位分类：

块设备：数据传输基本单位是 “ 块 ”，（传输速率高，可寻址）
字符设备：数据传输的基本单位是字符（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）

按共享属性分类：

独占设备：（静态分配方式）
共享设备：必须是可寻址，可随机访问的设备哦。（动态分配方式）
虚拟设备：将独占设备改造成多个逻辑设备

IO接口 / IO控制器

==IO设备的组成：==

机械部件：用来执行具体IO操作（eg键盘，LED显示屏）
电子部件：实现CPU对IO设备的控制。就是**==IO控制器==**。

==IO控制器是CPU和IO设备连接的桥梁==

IO控制器功能

IO控制器的组成

①CPU与控制器之间的接口。（接口包括三类数据线）
②IO逻辑。（用于实现对设备的控制）
③控制器与设备之间的接口。（每个接口可传输三类信号）

IO接口的类型

按数据传输方式：并行接口，串行接口。
按主机访问设备的控制方式：程序查询接口，中断接口，DMA接口。
按功能灵活性：可编程接口，不可编程接口。
按设备类型的不同：字符设备接口，块设备接口，网络设备接口。

IO端口

IO端口是设备控制器中可被CPU访问的寄存器，主要有三类。

数据寄存器
状态寄存器
控制寄存器

为了使CPU能够访问IO端口，需对各端口进行编址，有两种编址方式：独立编址，统一编址。

统一编址（内存映射方式） VS 寄存器独立编址（IO映射方式）

回顾

IO控制方式(4)

– 即用什么样的方式来控制IO设备的数据读/写

程序直接控制方式

Key：CPU==轮询==（控制器状态，IO好了没，好了就能够拿到数据了）

中断驱动方式

引入了==中断==机制。

中断驱动方式的工作流程

因为IO设备速度慢，所以当CPU发出读写命令后，将等待的IO进程阻塞，切换别的进程执行。

当IO完成后，控制器会主动向CPU发出一个中断信号。当CPU检测到中断信号，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。【在每个指令周期的末尾，CPU都会检查中断信号】

处理中断的过程中，CPU从IO控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。==【即由中断服务程序完成数据的输入和输出】==

接着，CPU恢复等待IO的进程（或其他进程）的运行环境，继续执行。

优点：CPU和IO设备可以并行工作。

缺点：每次执行只转存一个字，大量中断会消耗CPU时间。（中断处理需要保存恢复进程的运行环境，是有一定时间开销的。）

==DMA（直接存储器存取）==

在IO设备和内存之间建立直接数据通路。

DMA不是处理机，是一个控制器。

CPU给DMA发出一条命令，同时设置DMA控制器中寄存器的值（来启动DMA）。（值包括：CPU所取数据的地址和长度）

DMA也会使进程阻塞！CPU和数据传送并行。

改进：

数据的传送单位是 “ 块 ”，不是一个字的传送了。（so：DMA主要用于块设备）
数据传输的块必须是连续的，即传送一块或者连续多块。
数据的流向是设备→内存，或者内存→设备。（不需要中转站CPU了）
仅在预处理和后处理阶段，才需要CPU干预。

==DMA工作过程==

预处理阶段：由CPU初始化DMA控制器中有关寄存器等等。
数据传输阶段：把数据从外设（eg硬盘）搬到内存。（由DMA控制器负责）
后处理阶段：DMA向CPU发送中断请求（表示事情做完了！）。CPU执行中断服务程序做DMA结束处理。

DMA==控制器==中有4类寄存器：

命令/状态寄存器
内存地址寄存器
数据寄存器
数据计数器

DMA方式的工作流程

CPU收到设备DMA请求后，向DMA控制器发送启动命令，并设置MAR和DC的初值，随后启动DMA控制器。
接着，CPU将IO控制器权交予DMA控制器，转而执行其他任务。
DMA控制器接管总线后，以突发方式将整块数据在设备和内存之间直接传输，无需CPU干预。
传输结束后，DMA控制器向CPU发送中断信号，通知操作完成。