I/O设备综述
I/O设备定义
I/O设备是硬件中由人(或其他系统)使用与计算机进行通信的部件。
例如，键盘或鼠标是计算机的输入设备，而监控器和打印机是输出设备。计算机之间的通信设备(如电信调制解调器和网卡)通常运行输入和输出操作。操作系统需要控制计算机的所有I/O设备。
I/O设备划分
根据信息交换的单位可讲I/O设备可分为块设备(block device)和字符设备(character device)两种。
- 块设备：由于信息的存取总是以数据块为单位，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高，以及可寻址，即对它可随机地读/写任一块。
- 字符设备：用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常釆用中断驱动方式。
该划分不一定能包括所有的I/O设备，比如说时钟(按照预先设置好的时间间隔去产生中断)。
标准设备与标准模型
系统架构
一个典型的计算机系统架构如下图：
为何该系统是分层的结构？
- 物理布局(越快的总线越短，因此高性能的内存总线没有足够的空间连接太多设备)
- 造价成本(在工程上高性能总线的造价非常高)
采用分层结构，可以让要求高性能的设备(比如显卡)离 CPU 更近一些，低性能的设备离 CPU 远一些。
标准设备
假定I/O设备是如下图所示的一种标准设备(非真实存在的设备)
一个标准设备包含两部分：
- 硬件接口(interface)。所有设备都有自己的特定接口以及典型交互的协议，系统软件通过该接口来控制设备的操作。
- 内部结构(internal structure)。这部分包含设备相关的特定实现，负责具体实现设备展示给系统的抽象接口。非常简单的设备通常用一个或几个芯片来实现它们的功能。更复杂的设备(RAID，廉价冗余磁盘阵列)会包含简单的 CPU、一些通用内存、设备相关的特定芯片，来完成它们的工作。
标准协议
标准设备中包含3个寄存器：
- 状态(status)寄存器， 可以读取并查看设备的当前状态。
- 命令(command)寄存器，用于通知设备执行某个具体任务/
- 数据(data)寄存器，将数据传给设备或从设备接收数据。
通过读写这些寄存器，操作系统可以控制设备的行为。假设操作系统与标准设备交互的标准协议如下：
While (STATUS == BUSY)
; // wait until device is not busy
Write data to DATA register
Write command to COMMAND register
(Doing so starts the device and executes the command)
While (STATUS == BUSY)
; // wait until device is done with your request标准协议分为4步：
- 操作系统反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接收命令的就绪状态，即轮询(polling)设备。
- 操作系统下发数据到数据寄存器。
- 操作系统将命令写入命令寄存器。
- 操作系统再次通过不断轮询设备，等待并判断设备是否执行完成命令。
I/O设备的编址方式
独立编址
I/O端口独立编址即内存地址空间与外设地址空间是相互独立的。
对I/O设备的访问需要使用明确的 I/O 指令(in/out，通常为特权指令)。这些指令规定了操作系统将数据发送到特定设备寄存器的方法，从而允许构造标准协议。
统一编址
内存映射 I/O(memory- mapped I/O)：将每个I/O端口当作一个存储单元看待，端口与存储器单元在同一个地址空间中进行编址。
当需要访问设备寄存器时，操作系统装载(读取)或者存入(写入) 到该内存地址；然后硬件会将装载/存入转移到设备上，而不是物理内存。
基本输入输出方式
轮询
轮询，即操作系统通过反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接收命令的就绪状态。
情况1，轮询：进程 1 在 CPU 上运行一段时间(对应 CPU 那一行上重复的 1)，然后发出一个读取数据的 I/O 请求给磁盘。操作系统简单自旋，不断轮询设备状态，直到设备完成 I/O 操作(对应其中的 p)。当设备完成请求的操作后，进程 1 又可以继续运行。
中断
通过中断(interrupt)可以减少 CPU 开销。有了中断后，CPU 不再需要不断轮询设备，而是向设备发出一个请求，然后就可以让对应进程睡眠，切换执行其他任务。当设备完成了自身操作，会抛出一个硬件中断，引发 CPU 跳转执行操作系统预先定义好的中断服务例程(Interrupt Service Routine，ISR)，或更为简单的中断处理程序(interrupt handler)。中断处理程序是一小段操作系统代码，它会结束之前的请求(比如从设备读取到了数据或者错误码)并且唤醒等待 I/O 的进程继续执行。
情况2，中断：在磁盘处理进程 1 的请求时，操作系统在 CPU 上运行进程 2。磁盘处理完成后，触发一个中断，然后操作系统唤醒进程 1 继续运行。这样，在这段时间，无论 CPU 还是磁盘都可以有效地利用。
直接存储器存取(DMA)
DMA(Direct Memory Access)。DMA 引擎是系统中的一个特殊设备， 它可以协调完成内存和设备间的数据传递，不需要 CPU 介入。
为了能够将数据传送给设备，操作系统会通过编程告诉 DMA 引擎数据在内存的位置，要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备。在此之后，操作系统就可以处理其他请求了。当 DMA 的任务完成后，DMA 控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成数据传输。
情况3，不使用DMA的一般情况：进程 1 在运行过程中需要向磁盘写一些数据，所以它开始进行 I/O 操作，将数据从内存 拷贝到磁盘(其中标示 c 的过程)。拷贝结束后，磁盘上的 I/O 操作开始执行，此时 CPU 才 可以处理其他请求。
情况4，使用DMA：数据的拷贝工作都是由 DMA 控制器来完成的。因为 CPU 在此时是空闲的，所以操作系统可以让它做一些其他事情，比如此处调度进程 2 到 CPU 来运行。 因此进程 2 在进程 1 再次运行之前可以使用更多的 CPU。
reference
[1] wiki
[2] 操作系统导论(ostep)
[3] 现代操作系统
[4] 微型计算机原理与接口技术