🌈个人主页：godspeed_lucip
🔥 系列专栏：OS从基础到进阶

🏆🏆本文完整PDF源文件请翻阅至文章底部下载。🏆🏆

---

---

1 I/O设备的基本概念与分类

1.1 总览

1.2 什么是IO设备

注意：
UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用文件操作相同的方式对外部设备进行操作

1.3 IO设备的分类

1.3.1 按使用特性

1.3.2 按传输速率

1.3.3 按信息交换的单位

1.4 总结

2 I/O控制器

2.1 什么是IO控制器？

2.2 IO控制器的功能

2.3 IO控制器的组成

2.3.1 CPU与控制器的接口

（1）该部分实现的功能
用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令；通过地址线指明要操作的设备；通过数据线来取出（输 入）数据，或放入（输出）数据
（2）基本组成
①数据寄存器
当设备输入时，存放设备输入的数据（比如键盘键入的字符）；当CPU对设备输出时，存放CPU输入的数据。是双向的。

②控制寄存器
CPU发出的IO指令中可能包含一些其他的参数，放在控制寄存器中。是单向的。

③状态寄存器
存放各设备的状态，比如1表示空闲，0表示忙碌，CPU从其中读取。是单向的。

2.3.2 IO逻辑

（1）该部分实现的功能
负责接收和识别CPU 的各种命令（如地址译码），并负责对设备发出命令

2.3.3 控制器与设备机器设备的接口

（1）该部分实现的功能
用于实现控制器与设备之间的通信
（2）基本组成
①与各设备连接的接口
各接口都要实现传输
Ⅰ 数据信息（传送输入/ 输出数据）
Ⅱ 状态信息（设备向控制器反馈自己的状态）
Ⅲ 控制信息（控制器向设备发出控制信息）。

2.3.4 总体示意图

注意

编址方式

（1）内存映像编址
①解释
内存映射 I/O。控制器中的寄 存器与内存地址统一编址

②优点
简化了指令。可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作

（2）寄存器独立编址
①解释
寄存器独立编制。 控制器中的寄存器使用单独的地址

②缺点
需要设置专门的指令来实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号

2.4 总结

3 I/O控制方式

3.1 总览

3.2 程序直接控制方式

3.2.1 什么是程序直接控制方式？

已键盘向CPU键入数据为例：

（1）CPU向控制器发出读指令。 于是设备启动，并且状态寄存器设为 1（未就绪）
（2）CPU轮询检查控制器的状态 （其实就是在不断地执行程序的循环，若 状态位一直是 1，说明设备还没准备好要输入的数据， 于是CPU会不断地轮询，知道状态为为0（设备已经完成输入）
（3）输入设备准备好数据后将数据传给控制器，并报告自身状态（已就绪）
（4）控制器将输入的数据放到数据寄存器中， 并将状态改为0 （已就绪）
（5）CPU发现设备已就绪，即可将数据寄存器中的内容读入CPU的寄存器中，再把CPU寄存器中的内容放入内存
（6）若还要继续读入数据，则CPU 继续发出读指令

3.2.2 完成一次读写操作的流程

3.2.3 CPU干预的频率

3.2.4 数据传送的单位？

每次读写一个字

3.2.5 数据的流向？

3.2.6 优缺点

3.3 中断驱动方式

3.3.1 什么是中断驱动方式

3.3.2 注意

3.3.3 完成一次读写操作的流程

3.3.4 CPU干预的频率

3.3.5 数据传送的单位

每次读/写一个字

3.3.6 数据的流向

与程序直接控制方式类似

3.3.7 主要优缺点

3.4 DMA控制器方式

3.4.1 DMA控制器的基本组成

DR、MAR、DC、CR都是操作系统中的寄存器：

3.4.2 DMA方式的工作流程

以键盘键入数据为例：
CPU将数据存放在内存中的地址存入MAR，DMA负责读取键盘键入的字符，将其存放在DR中，待键入结束后，再将DR中的数据存入MAR中显示的内存地址，并发出中断请求，使CPU进行处理。

3.4.3 完成一次读/写操作的流程

3.4.4 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。

3.4.5 数据传送的单位

3.4.6 数据的流向

不再经过CPU

3.4.7 主要优缺点

3.4.8 注意

（1）DMA读取数据的过程中，是一次读入一个字，再将读取的字存入DR中，但对于CPU来说，好像是一次读入了一块的数据。
（2）每次读写的只可以是连续的块，如果想读写离散的块，就必须发送多次中断。

3.5 通道控制方式

3.5.1 基本工作流程

（1）CPU向通道发出I/O指令。指明通道程序（可以理解为CPU下派的任务清单）在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备。之后CPU就切换到其他进程执行了。
（2）通道执行内存中的通道程序，它其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的什么位置等信息
（3）通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后 CPU对中断进行处理

3.5.2 通道程序的基本组成

在通道程序中，CPU可以指派一堆任务，同时读/写的数据也不必是连续的，只要指定了内存中的位置就可以。这是对DMA控制方式的改进。

3.5.3 完成一次读/写操作的流程

3.5.4 CPU干预的频率

3.5.5 数据传送的单位

每次读/写一组数据块

3.5.6 数据的流向

数据是在通道的控制下进行的。

3.5.7 优缺点

3.6 总结

4 I/O软件基本层次结构

4.1 基本架构

4.2 用户层软件

4.2.1 主要的功能

（1） 实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作。
（2）用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务

4.2.2 例子

例如C语言中的"printf(“Hello\n”)"，printf就是方便用户使用的库函数，而它会被翻译成write系统调用。
对于一些需要参数的系统调用，用户在使用库函数时显然也应该填入相应的参数。

4.3 设备独立性软件

4.3.1 解释

这一层会向用户层提供系统调用的接口，所以有时候也被成为系统调用层。

4.3.2 主要的功能

（1）向上层（用户层）提供统一的调用接口
比如read、write系统调用

（2）设备的保护
原理类似于文件保护。设备被看做是一种特殊的文件（UNIX系统中），不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。

（3）差错处理
设备可能会出错，因此设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理

（4）设备的分配与回收
设备属于一种临界资源，对临界资源的分配和回收是相当重要的。

（5）数据缓冲区管理
通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异

（6）建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系
①解释

②逻辑设备表的基本结构

③管理逻辑设备表的方法

根据设备类型选择调用相应的驱动程序

驱动程序的说明见下第四大点

4.4 设备驱动程序

4.4.1 什么是驱动程序？

简单来说，就是驱动计算机里软件的程序

4.4.2 为什么要有驱动程序？

不同设备的内部结构也不同，其内部硬件特性也不同。而这些特性、结构只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作，程序才可以正常运行。

4.4.3 驱动程序的功能

4.4.4 注意

驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。

4.5 中断处理程序

4.5.1 解释

4.5.2 处理流程

4.6 总结

5 输入输出应用接口与设备驱动接口

5.1 总览

5.2 输入输出应用程序接口

5.2.1 为什么要有应用程序接口？

不同类型设备的I/O操作的细节是不同的，因此无法使用一个统一的接口对所有的设备进行调用。
我们之前已经学习过I/O软件的层次结构，设备独立软件层的任务之一就是给用户层提供标准的接口。

5.2.2 字符设备接口

比如：键盘

5.2.3 块设备接口

5.2.4 网络设备接口

（1）解释

（2）主机之间通信过程描述
①主机1、主机2中的一个进程使用socket系统调用，创建一个网络套接字（可以理解为在内核区申请一片空间）。套接字会绑定主机的一个端口（bind系统调用）。

②发送方主机1中使用write系统调用向内存中写入一些数据。并将数据移入网卡进行发送，这个过程需要 “设备无关性软件” 调用 “网络控制器驱动程序”

③主机1在发送之前显然已经知道主机2的socket套接字绑定的端口（可以通过一些协议实现）。结合IP地址及端口，主机1的数据就可以精确发送到主机2中。

④主机2收到数据后通过网卡将其存在内存中，这个过程需要“中断处理程序”调用“网络控制器驱动程序”。进程使用read系统调用进行读取。

（3）示意图

5.3 阻塞与非阻塞I/O

5.3.1 阻塞I/O

应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待。比如说：C语言中的scanf函数，只要键盘没有输入字符，那么程序就不会往下继续执行，也就是被阻塞了。

5.3.2 非阻塞I/O

应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待。比如说：在块设备接口往磁盘写数据的过程中，只要块设备将数据复制到内核中去了，那么就可以交给内核执行，而自己就可以进行其他的工作。

5.4 设备驱动程序接口

5.4.1 解释

不同厂商生产的I/O设备的结构不同，其驱动程序也不同。可能相同的系统调用但是其参数又不一致。这样，设备独立层软件在享受驱动程序提供的服务时就会出现问题。
操作系统规定好设备驱动程序的接口标准，各厂商必须按要求开发设备驱动程序。

6 总结

本文PDF文件下载链接：提取码：ikun

操作系统，如默默守护的守夜者，无声地管理硬件与软件的交流，为计算机创造和谐秩序。

它是无形的引导者，让复杂的任务变得井然有序，为用户提供无忧体验。

操作系统的巧妙设计，让计算机变得更加智能高效，让人与科技之间的交流更加顺畅。

在每一次启动中，它如信任的伙伴，带领我们进入数字世界的奇妙旅程。

渴望挑战操作系统的学习路径和掌握进阶技术？不妨点击下方链接，一同探讨更多操作系统的奇迹吧。我们推出了引领趋势的💻OS专栏：《OS从基础到进阶》 ，旨在深度探索OS的实际应用和创新。🌐🔍