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【操作系统】I/O 管理（一）—— I/O 管理概述
一、I/O 设备的分类
（一）、I/O设备的分类——按使用特性
人机交互类外设：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互。数据传输速度慢。
存储设备：移动硬盘、光盘等——用于数据存储。数据传输速度快。
（二）、I/O设备的分类——按传输速率分类
低速设备：鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节。
中速设备：如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节。
高速设备：如磁盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备。
（三）、I/O设备的分类——按信息交换的单位分类
块设备：如磁盘等——数据传输的基本单位是“块”；传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块。
字符设备：鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符。传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式。
（四）、总结
二、I/O 控制器
（一）、I/O 设备的组成
I/O 设备由机械部件和电子部件组成。
- I/O 设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。
- I/O 设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
（二）、I/O 控制器的功能
（三）、I/O 控制器的组成
注：设备控制器也称
I/O 接口。在计算机组成原理的总线结构中我们可以看到设备与CPU之间有 I/O 接口 相连接。
值得注意的小细节：
①一个I/O控制器可能会对应多个设备；
② 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。
内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址
（四）、总结
三、I/O 控制方式
I/O 控制方式，即用什么样的方式来控制 I/O设备的数据读/写。
需要注意的问题：
1. 完成一次读/写操作的流程； 2. CPU干预的频率； 3. 数据传送的单位； 4. 数据的流向； 5. 主要缺点和主要优点。 1. 程序直接控制方式
- 完成一次读/写操作的流程（见下图，Key word：轮询）
- CPU干预的频率
很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待 I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。 - 数据传送的单位：每次读/写一个字
- 数据的流向
读操作（数据输入）：I/O设备 → CPU（指的是CPU的寄存器） → 内存；
写操作（数据输出）：内存 → CPU（指的是CPU的寄存器） → I/O设备；
每个字的读/写都需要CPU的帮助。 - 主要缺点和主要优点
优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”）；
缺点：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 ，CPU利用率低。
2. 中断驱动方式
中断驱动方式：引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，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。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。
- 完成一次读/写操作的流程（见下图，Key word：中断）
- CPU干预的频率
每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。
等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。 - 数据传送的单位
每次读/写一个字 - 数据的流向
- 主要缺点和主要优点
优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
注意：
①CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
②中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。
3.DMA方式
注： DMA控制器是 I/O接口中的一种。
- 完成一次读/写操作的流程（见下图）
- CPU干预的频率
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。 - 数据传送的单位
每次读/写一个或多个块（注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的） - 数据的流向（不再需要经过CPU）
读操作（数据输入）：I/O设备 → 内存
写操作（数据输出）：内存 → I/O设备 - 主要缺点和主要优点
优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条 I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
4. 通道控制方式
通道：一种硬件，可以理解为是 “弱版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。通道可以执行的指令很单一，并且通道程序（通道指令）是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。
- 完成一次读/写操作的流程（见右图）
- CPU干预的频率
极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。 - 数据传送的单位
每次读/写一组数据块 - 数据的流向（在通道的控制下进行）
读操作（数据输入）：I/O设备 → 内存
写操作（数据输出）：内存 → I/O设备 - 主要缺点和主要优点
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持。
优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
5. 总结
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