# I/O 设备管理

# I/O 设备管理的硬件基础

# I/O 设备

# 概念

连接 CPU 的所有设备称为输入输出设备，简称设备 (外设)。其和 CPU 的连接通过总线、IO 接口 (设备控制器) 和 IO 端口。

# 分类

从不同的角度，设备可以分为输入设备和输出设备；高速设备和低速设备；字符设备和块设备；随机访问和顺序访问设备；互斥使用和并发使用的设备。其中，字符设备即顺序访问设备，信息交换以字符为单位，是无结构、传输速率低、不可寻址的设备，如打印机、鼠标等。块设备即随机访问设备，其信息交换以块为单位，是有结构、传输速率较高、可寻址的设备，如磁盘等。

# 设备控制器 (I/O 接口)

设备控制器又叫 I/O 接口，其主要由以下三部分组成：

1. 设备控制器与 CPU 的接口
2. 设备控制器与设备的接口
3. I/O 逻辑：用于实现对设备的控制。

# I/O 端口

I/O 端口是指设备控制器中可被 CPU 直接访问的寄存器。包括以下三类共四个：

1. 数据寄存器：包括数据输入寄存器 (data-in register) 和数据输出寄存器 (data-out register)。分别用来暂时存储主机需要读入和写出的数据。
2. 状态寄存器 (status register)：包含一些主机可以读取的位，例如当前命令是否完成、数据输入寄存器中是否有数据可以读取、是否出现设备故障等。
3. 控制寄存器 (control register)：可由主机写入，以便启动命令或更改设备模式。

CPU 与 I/O 端口的通信包括两种方式：

1. 独立编址
2. 统一编址：又叫内存映射 I/O (memory-mapped I/O)，即内存与 I/O 设备采用相同的地址空间。

# I/O 控制方式

I/O 控制方式包括轮询方式 (程序直接控制方式)、中断方式、DMA 方式和通道控制方式。

# 轮询方式

# 中断方式

能够让设备通知 CPU 的硬件机制称为中断 (interrupt)。

采用中断驱动的 I/O 控制流程如下：

# DMA 方式

DMA 方式式的基本思想是在 I/O 设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底解放 CPU。DMA 方式的特点如下：

1. 基本单位是数据块。
2. 所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。
3. 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需 CPU 干预，整块数据的传送是在 DMA 控制器的控制下完成的。

# 通道控制方式

# I/O 系统架构

I/O 系统架构即 I/O 设备管理的软件层次结构，包括应用程序、I/O 应用程序接口、内核 I/O 子系统、驱动程序、中断处理程序和外部设备。

# 驱动程序

直接控制设备的程序称为驱动程序，其可以直接读写控制器中的寄存器，一般情况下运行在内核态，是操作系统内核的一部分。

# 设备号

不同的设备具有不同的编号，编号记录在安装表 (mount table) 中。主设备号说明设备类型，据此找到驱动程序 (对应一类设备)。次设备号说明具体设备，可以作为驱动程序的参数。

# 设备依赖性

设备依赖的 (device-dependent) 指程序只能在特定的设备环境下运行，又翻译成设备相关的。相反的性质称为设备独立的 (device-independent)，又翻译成设备无关的。

容易看出，驱动程序是设备依赖的。且驱动程序的目标是使上层的内核 I/O 子系统具有设备独立性，可以对设备的共性进行操作而不专注于设备的具体性质。因此，内核 I/O 子系统又称为设备独立性软件。

# 结构和功能

驱动程序的结构和功能是相适应的。驱动程序主要包括启动部分和中断服务例程 (ISR)，分别用来启动设备和执行中断服务。在设备进行初始化时，需要确定中断号并注册服务例程。

# 中断处理程序

这是一个不错的 blog：Linux 中断和中断上半部处理.

# 大容量存储设备管理

# 磁盘调度算法