笔记大纲

• I/O硬件和原理
• I/O软件和原理
• I/O层次结构
• I/O设备

1.I/O硬件和原理

1.1 I/O设备

块设备：块设备将数据保存在固定大小的硬件单元中，每个单元有自己的地址，例如硬盘。 字符设备：以字符为单位发送或接受字符流数据，例如打印机、鼠标、键盘、音响。

1.2 设备控制器

        - `设备控制器、适配器`：通常集中在主板芯片、PIC插槽形式。
        - `机械部件`：设备本身。

1.3 内存映射I/O

内个控制器有几个寄存器用来与CPU通信，通过写入这些寄存器，操作系统可以命令设备收发数据；为了实现CPU与设备控制器通信，操作系统提供了2套方案： 方案一：每个控制器寄存器分配一个I/O端口号，这是一个8位或16位的整数值，I/O端口空间 会受到操作系统保护，用户态程序无法直接访问。 方案二：将所有控制器寄存器映射到内存空间中，寄存器别分配唯一的内存地址，而且不会冲 突，一般将这些寄存器的内存地址靠近内存地址的顶部受到保护。

1.4 直接内存访问/直接存储器存取 DMA

DMA是一种特殊的芯片，它可以控制设备控制器和内存数据交互的数据流，无需CPU干预。

        1. CPU通过设置DMA控制器的寄存器，告诉数据需要传送到目的地址、磁盘扇区信息等。
        1. DMA控制器负责和I/O控制器进行I/O数据交互。
        1. DMA每完成一个数据块，给CPU发出一个中断来通知CPU。

2.I/O软件层次

2.1 中断处理程序

当进程发出中断，中断处理程序将为此需要做一定工作： 1.保存没有被中断硬件保存的所有寄存器 2.为中断服务过程设置上下文信息，包括设置TLB、MMU、页表等信息 3.为中断服务过程设置堆栈 4.应答中断控制器 5.将寄存器从他们的堆栈中拷贝到进程表 6.运行中断服务过程，从发出中断的设备的寄存器中读取中断信息 7.选择下一次需要运行的进程 8.未下一次要运行的进程设置MMU上下文、设置TLB等 9.装入新进程的寄存器 10.开始运行新进程

2.2 设备驱动程序

每个连接到操作系统的I/O设备都需要某些特备特定的代码程序来进行控制，这样的程序称之为设备驱动程序，它一般由设备制造厂商提供，不同的操作系统可能设备驱动程序都不一样，需要单独安装。

2.3 通用块层

对于块设备，为了减少不同块设备之间的差异带来的兼容影响，Linux操作系统提出了通用块层的概念，来管理不同块设备。 功能一：提供统一的块设备访问接口 功能二：为块这边的I/O请求进行调度

              - 无调度
              - FIFO 先入先出
              - 完全公平调度(default)：为每个进程维护一个I/O请求队列，按时间片分配请求
              - 优先级调度：存在饥饿问题
              - 最终期限调度：将读和写的I/O队列分开，提高磁盘吞吐量