[嵌入式]操作系统-IO笔记

1 I/O 硬件原理

1.1 I/O 设备

IO设备大致可以分为：块设备和字符设备。

1.2 设备控制器

I/O设备一般有机械部件和电子部件两部分组成。
电子部件称作设备控制器，经常以主板上的芯片的兴衰出现。

1.2内存映射I/O

CPU如何与设备的控制寄存器和数据缓存区进行通信？

方法一： 为每个控制寄存器分配一个I/O端口（I/O port）
方法二： 将所有的控制寄存器映射到内存空间中。
I/O 映射优点：

1. 减少控制I/O的开销
2. 不需要特殊的保护机制来阻止用户进程进行I/O 操作。
3. 可以引用内存的每一条指令也可以引用控制寄存器。

缺点：

1. 对一个设备控制寄存器进行高速缓存可能是灾难性的。硬件必须能够针对每个页面有选择性地禁用高速缓存
2. 高速内存总线问题。

高速内存总线问题解决方案

1. 首先将全部内存引用发送到内存，如果内存相应失败，CPU将尝试其他总线。
2. 在内存总线上放置一个探查设备。
3. 在内存控制器中对地址进行过滤。
   

1.4 直接存储器存取

由DMA控制器调控到多个设备的数据传送，而这些数据传送经常是同时发生的。
DMA 控制器包含一个内存地址寄存器，一个字节计数寄存器，和一个或多个控制寄存器。

当磁盘控制器的缓存区满了之后，由DMA控制器请求传送到内存，不在由CPU控制请求传送到内存，这就大大提高了CUP的工作效率

某些DMA 控制器可以以 每次一字模式和块模式操作。

1.5 重温中断

中断向量表


精确中断
将机器留在一个明确的状态的中断，称为精确中断。
特性

1. PC（程序计数器）保存在一个已知的地方
2. PC所指向的指令之前的所有指令已经完全执行
3. PC所指向的指令之后的所有指令都没有执行
4. PC所指向的指令的执行状态是已知的。
   

2. I/O软件原理

2.1 I/O软件的目标

1. 设备独立性： 它可以访问任意I/O设备而无需事先指定设备
2. 统一命名： 一个文件或一个设备的名字应该是一个简单的字符串或整数，它不应依赖于设备。
3. 错误处理：
4. 同步和异步传输
5. 缓冲： 数据离开一个设备之后通常并不能直接存放到其最终的目的地。
6. 共享设备和独占设备

2.2 程序I/O控制

I/O的最简单形式是让CPU做全部工作。

程序控制I/O最根本的方面，就是输出一个字符之后，CPU要不断的查询设备以了解它是否就绪准备接收另一个字符

2.3 中断驱动I/O

这种允许CPU在等待打印机变为就绪的同时做某些其他事情的方式就是使用中断。

2.4 使用DMA的I/O

3. I/O 软件层次

3.1 中断处理程序

当中断发生是，中断处理程序将做它必须要做的全部工作以便对中断进行处理。
处理中断，并选择下一次运行哪个进程

3.2 设备驱动程序

每个链接到计算机上的I/O设备都需要某些设备特定的代码来对其进行控制，这样的代码称为设备驱动程序。

3.3 与设备无关的I/O软件

1. 设备驱动程序的统一接口

是所有设备（例如：磁盘、键盘、打印机等）的统一接口。

对于每一种设备类型，例如磁盘或打印机，操作系统定义一组驱动程序必须支持的函数。

2. 缓冲

a: 对于每个到来的字符，都必须启动用户进程
b:
循环缓冲区

3.错误报告

许多错误是设备特定的并且必须由适当的驱动程序来处理，但是错误处理的框架是设备无关的。
I/O 错误类型：编程错误、实际的I/O错误

4.分配与释放专用设备

5.与设备无关的块大小及字符设备的数据传输大小。

3.4 用户空间的I/O软件

用户层I/O 软件 ：库过程
假脱机（spooling） 是多道程序中处理独占I/O设备的一种方法。另一种方法是创建一个特殊进程，称为守护进程，以及一个特殊目录、称为假脱机目录（spooling directory）。