操作系统-I/O设备
一个典型的系统架构：CPU 通过某种内存
总线（memory bus）或互连电缆连接到系统内存。图像或者其他高性能 I/O 设备通过常规的
I/O 总线（I/O bus）连接到系统，在许多现代系统中会是 PCI 或它的衍生形式。最后，更下
面是外围总线（peripheral bus），比如 SCSI、SATA 或者 USB。它们将最慢的设备连接到系
统，包括磁盘、鼠标及其他类似设备。
标准设备模型：一个（简化的）设备接口包含 3 个寄存器：一个状态（status）寄存器，
可以读取并查看设备的当前状态；一个命令（command）寄存器，用于通知设备执行某个具
体任务；一个数据（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。
描述操作系统与该设备的典型交互，以便让设备为它做某事。协议如下：
第 1 步，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。我们称之为轮询（polling）设备（基本上，就是问它正在做什么）。
第2 步，操作系统下发数据到数据寄存器。
可以想象如果这是一个磁盘，需要多次写
入操作，将一个磁盘块（比如 4KB）传递给设备。如果主 CPU 参与数据移动（就像这个示
例协议一样），我们就称之为编程的 I/O（programmed I/O，PIO）。
第 3 步，操作系统将命令写入命令寄存器
最后一步，
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
关键问题：如何减少轮询开销
利用中断减少 CPU 开销：
中断允许计算与 I/O 重叠（overlap），这是提高 CPU 利用率的关键
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。如果没有中断，那么操作系统就会简单自旋，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。
如果我们利用中断并允许重叠，操作系统就可以在等待磁盘操作时做其他事情：
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。
利用 DMA 进行更高效的数据传送
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。
关键问题：如何减少 PIO 的开销
原因：使用 PIO 的方式，CPU 的时间会浪费在向设备传输数据或从设备传出数据的过程中。如何才能分
离这项工作，从而提高 CPU 的利用率？
解决方案就是使用 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。
2）设备交互的方法
关键问题：如何与设备通信
主要有两种方式来实现与设备的交互。第一种办法相对老一些
（在 IBM 主机中使用了多年），就是用明确的 I/O 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，从而允许构造上文提到的协议。
第二种方法是内存映射 I/O（memory- mapped I/O）。通过这种方式，硬件将设备寄存器
作为内存地址提供。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。
每个设备都有非常具体的接口，如何将它们纳入操作系统？
关键问题：如何实现一个设备无关的操作系统
举例：它只需要简单地向通用块设备层发送读
写请求即可，块设备层会将这些请求路由给对应的设备驱动，然后设备驱动来完成真正的
底层操作。尽管比较简单，但图 36.3 展示了这些细节如何对操作系统的大部分进行隐藏。
设备驱动案例研究：
简单的IDE磁盘驱动程序：
IDE 硬盘暴露给操作系统的接口比较简单，包含 4 种类型的寄存器，即控制、命令块、
状态和错误。
初始化设备交互的简单协议：
等待驱动就绪；
向命令寄存器写入参数；
开启I/O；
数据传送（针对写请求）；
中断处理；
错误处理；
本章介绍了两种技术，中断和 DMA，用于提高设备效率。我们还介绍了访问设备寄存器的两种方式，I/O 指令和内存映射 I/O。最后，我们介绍了设备驱动程序的概念，展示了操作系统本身如何封装底层细节，从而更容易以设备无关的方式构建操作系统的其余部分。