IO设备在OS中的权衡

IO设备是操作系统的中断源之一，IO设备包括磁盘，时钟，中断源，显示器，按照数据传送的基本单元分为块设备和字符设备。本文从磁盘这一个IO设备来归纳操作系统中IO设备从硬件到软件的工作方式。

硬件水平观察（hardware-level observation）

关于所有的描述我都会给出一个具体的规格来说明。
磁盘IO与操作系统的交流是通过叫做适配器或者设备控制器的电子器件完成的，磁盘驱动程序对磁盘控制器进行编程。

磁盘是由多个柱面组成的机械装置，如果你搜索磁盘结构，每个圆片就是一个柱面。
柱面通常会被分成多个磁道，每个磁道被切分成多个扇区。以下给出的磁盘参数以WD 18300
中的为主。
----------WD 18300参数Start-----------

参数	数据
每柱面磁道数	12
每个磁道扇区数	281
每个扇区字节数	512
寻道时间	6 ms
RPM	10000
设备控制器与设备接口	SATA
ECC	海明码
柱面数	10601
内存写入方式	DMA

----------WD 18300参数End-----------

设备控制器通常以芯片或者PCI插槽形式出现，主要功能为将串行的位流转换成字节块。
磁盘块读通常数据格式如下：

前导符（preamble）	4096bit	ECC 校验码位
28	4096	12

前导符：14位柱面号，4位扇区号，9位扇区号，1位同步信息
校验码：12位的校验码可以根据海明码的生成方法计算得出。
现在我们已经了解了磁盘进入控制器前的封装了！

磁盘控制器内部的优化：
磁盘坏块重映射和数据高速缓存是控制器需要做的一些必要的额外工作。数据高速缓存消除了对总线时间上的精确要求，简化了控制器设计，另一点是计算校验和需要。

坏块重映射是对磁盘的坏块用磁盘格式化时备用块代替。

DMA控制数据传送（Direct Memory Access）

DMA创造的初衷是希望摆脱程序控制IO,即由CPU完成对数据传送。这样使用DMA完成数据传送，
操作系统转入进程调度，让CPU完成其他的工作。但是DMA的传送效率相比CPU控制下传送效率要低。
因此，大批数据处理且CPU空闲可以选择CPU进行传送。

DMA的组成：
IO设备中寄存器被分配唯一的地址，就像内存地址一样，称为IO端口，端口集合组成的地址空间称为IO端口空间。CPU通过IO端口与设备寄存器进行通信。IO端口的地址我们选择内存映射IO的方式。
DMA的寄存器分为三个：

地址寄存器：磁盘读取的起始地址
计数寄存器：读取的传送单位数
控制寄存器：本寄存器的IO端口地址，传送方向（IO W/R）传送单位（字/字节）

DMA工作方式：
1.CPU在上述DMA寄存器写入数据
2.DMA向磁盘控制器中的寄存器中写入请求位
（DMA通道的概念由此产生，每个不同的IO设备都有这样的一组寄存器，通过控制参数选择设备）
3.DMA在占用总线不定期传送数据
4.DMA计数寄存器为0，产生中断，移交中断控制器。

这就是IO中一个特例--磁盘IO中的基本过程，中断是执行IO时的重要过程，我将在稍后的文章中整理。