操作系统学习笔记——第五章 I/O设备管理

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参考书：《操作系统》谌卫军等，清华大学出版社，2012年5月
参考视频：清航全套计算机专业课视频

第五章 I/O设备管理

1.I/O硬件
2.I/O控制方式
3.I/O软件
4.磁盘

第五章 I/O设备管理

1.I/O硬件

按数据组织分类：

-块设备：以数据块作为信息的存储和传输单位，每个数据块都有一个地址，数据块之间的读写操作是相互独立的，如磁盘；

-字符设备：以字符作为信息存储和传输单位，数据即字符流，无定位无寻址，如鼠标；

问题：CPU如何与设备控制器进行通信?这不是普通的内存访问！

方法有三种：

-I/O独立编址；

-内存映像编址：

-混合编址。

备注：Windows上查看PC机上的I/O端口地址——打开“设备管理器”——>点击“查看”选项卡，点击“按类型列出资源”——>设备管理器列表更新后，点击“输入/输出(I/O)”

到目前为止，已经介绍了I/O设备的类型、设备的控制器、I/O的端口地址。现在的问题是：根据已有的这些知识，现在能否开始编程使用这些I/O设备，完成相应的输入输出功能呢? I/O控制方式

2.I/O控制方式

-程序循环检测方式（Programmed I/O）

基本思路：在程序（设备驱动程序）中通过不断地检测I/O设备的当前状态，来控制I/O操作的完成。具体来说，在进行I/O操作之前，要循环地检测设备是否就绪；在/O操作进行之中，要循环地检测设备是否已完成。从硬件来说，控制I/O的所有工作均由CPU来完成。

也称为繁忙等待方式（busy waiting)或轮询方式（polling)。

缺点：在进行I/O操作时，一直占用CPU时间。

-中断驱动方式（Interrupt-driven I/O）

循环检测的控制方法占用了太多的CPU时间，可能会造成CPU时间的浪费。例如：假设打印机的打印速度为100字符/秒，在循环检测方式下，当一个字符被写入到打印机的数据寄存器中后，CPU需要等待10毫秒才能写入下一个字符。

一种解决的办法：中断驱动的控制方式。

1 //系统调用函数print
2 copy_from_user(buffer,p,count);//p:内核缓冲区
3 enable_interrupts()；
4 while(*printer_status_reg!=READY)；
5 *printer_data_register=p[0];
6 scheduler()；

在执行系统调用函数print时进程是否切换？没有切换，A仍为运行状态，但执行的代码是操作系统代码

 1 //中断处理程序
 2 if(count==0)
 3 {
 4   unblock_user();
 5 }
 6 else
 7 {
 8   *printer_data_register=p[++i];
 9   count--；
10 }
11 acknowledge_intereupt()；
12 return_from_interrupt()；

中断驱动方式的基本思路是：用户进程通过系统调用函数来发起I/O操作，并在发起后阻塞该进程，调度其他的进程使用CPU。在I/O操作完成时，设备向CPU发出中断，然在中断处理程序中做进一步的处理。在中断驱动方式下，数据的每次读写还是通过CPU来完成，但是当I/O设备在进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行其他的进程。

-直接内存访问方式（DMA，Direct Memory Access)

适合大规模数据传输！

I/O读操作的典型过程：

-CPU向设备控制器发出命令，启动读操作；

-设备控制器控制I/O设备完成此次读操作，并将数据保存在设备控制器内部的寄存器或缓冲区中，然后中断CPU；

3.I/O软件

如：打印机

4.磁盘

磁盘硬件

磁盘的硬件结构：磁盘（软盘和硬盘）由一个或多个金属盘片组成，这些盘片组合固定在一根旋转轴上，由同一个马达驱动。每个盘片有上下两个盘面，在盘面上涂有磁性材料，信息就记录在这些盘面上。在每个盘面上方，都有一个磁头，它固定在一个磁头臂上，而磁头臂又固定在一个传动装置上。通过磁头的读写装置，磁盘上的信息可以被写入、读出和修改。