操作系统---IO设备

操作系统—IO设备
- IO设备
- IO控制方式
  - 1、程序中断控制方法
  - 2、中断驱动方法
  - 3、DMA
  - 4、通道控制方法
  - 举例子分析
- IO子系统的层次结构
  - 举个例子

操作系统—IO设备

IO设备

按使用特性分类

人机交互类外设：键盘、鼠标
存储设备：磁盘
网络通讯设备：网络接口啥的

按传输速率分类

低速设备：每秒一个或几个字节，如键盘等等
中速设备：每秒数千个字节，如打印机等等
高速设备：几千兆字节，如磁带机

按信息交换的单位分类

块设备：如磁盘，其特征是传输效率高，以及可寻址，即可以随机读写任意一块，换句话说类似数组随机读取指定索引
字符设备：如打印机，效率低下，不可寻址，输入输出采用中断机制

IO控制方式

1、程序中断控制方法

cpu发起io指令，cpu一直等着io读取完毕，数据没准备好需要空等，也就是阻塞，数据准备好了也需要cpu去搬运，很明显，cpu和io的效率是天差地别，这个时候cpu利用率很低

2、中断驱动方法

cpu发起读命令，保存当前运气程序的上下文，转而去执行其他程序，每个指令末尾，cpu检查下中断是否发生

如果有那么保存现在执行程序的上下文，去执行之前那个程序。

虽然比程序中断法牛逼了点，在数据没有准备好，cpu不会空等，但由于每个字在存储器和IO设备之间传输都要经过cpu，即把数据传输进内存也是要cpu控制，每个指令还需要查看中断其实还是效率不高

3、DMA

首先DMA由这几个部分组成

命令/状态寄存器：接收cpu发来的控制信息，或设备状态
内存地址寄存器：输入时候，存放数据放入内存的起始地址
数据寄存器：暂存设备到内存，内存到设备的数据
数据计数器：存放本次传送的字节数

DMA方式的特点

按块传输
设备到内存，内存到设备
一个或多个数据块开始，结束才需要cpu干预，块的传输是在DMA控制下

cpu发起io请求，把这个io请求给DMA，然后继续工作，DMA在内存和设备之间传输数据，不需要cpu参与，传输完成后给中断信号，只有开始和结束cpu才需要参与，而且传输数据无需cpu参与

4、通道控制方法

通道和DMA主要区别是，DMA需要cpu控制传输数据块大小，内存位置，而通道控制方法中都是由通道控制

一个通道可以控制多台设备，DMA只能一个

通道可以一次性读取一组数据块，DMA是一个数据块

举例子分析

程序控制：cpu轮询的去io这边看下，是否准备好数据

中断控制：io每次准备好一部分数据，就给cpu一个中断信号，然后让cpu从它哪里拿到内存中去

DMA：cpu找了个仆人DMA，交代好数据放在内存哪里，这次要传输的数据块大小，io把数据准备好就通知DMA，让DMA去拿到内存中去，每次处理好这次数据就给cpu一个信号

通道控制：cpu的这个仆人更加牛逼了，他能绝定数据放内存哪里，一次传输多少数据，报告时间也由它觉得，是传输了20%报告还是100%报告随它。而且它可以与多个设备交换

IO子系统的层次结构

用户层IO软件
设备独立软件
设备驱动软件
中断处理软件
硬件

- 用户io软件：实现和用户交换接口
- 设备独立软件：实现用户程序和设备驱动器的统一接口，设备命令，设备保护及设备分配与释放
- 设备驱动软件：和硬件相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令
- 中断处理软件；用于处理中断相关
- 硬件设备：包括一个机械部件（设备本身）和一个电子部件（控制器）

举个例子

上面太抽象了，得来个具体例子

当Java读取文件的时候，会通过操作系统系统的read命令接口，这就是用户层

操作系统的接口是统一接口，不管事socket还是文件系统read都能通过这个接口调用，首先通过设备独立层进行解析，这层类似于分发的作用，分发给不同的设备驱动软件

因为是操作磁盘读取，那么磁盘接收read和socket(网卡)接收read是会做出不同动作的，这层就是设备驱动层

然后就是执行read命令，需要中断指令，这就是中断处理软件

最后到了硬件也就是磁盘，硬件设备的控制器按照上层传达的命令操控硬件完成功能，这里是硬件层