I/O基本概念

• I/O系统的主要对象：I/O设备和对应的设备控制器
• I/O系统的主要任务
  • 完成用户提出的I/O请求
  • 提高I/O速率
  • 改善I/O设备的利用率
• I/O系统的基本功能
  • 隐藏物理设备的细节
  • 与设备的无关性
  • 提高处理机和I/O设备的利用率
  • 对I/O设备进行控制
  • 确保对设备的正确共享
  • 错误处理
• 设备独立性：应用程序独立于具体使用的物理设备
  • 在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备
• I/O系统的核心是I/O管理和控制
• I/O应用接口
  • I/系统调用 将设备的行为 封装成一些通用类型
  • 设备驱动层对内核隐藏了I/O控制器的不同细节
  • 设备在许多方面有很大差异

I/O控制方式

• 对I/O设备的控制方式
  • 使用轮询的可编程I/O方式（基本不用）
  • 使用中断的可编程I/O方式（广泛采用）
    • 可使CPU与I/O设备并行工作
  • 直接存储器访问（DMA）方式
  • I/O通道控制方式
• 使用轮询的可编程I/O方式
  • CPU定时发出询问，询问设别是否忙，进程进入忙等
  • 不忙就进行I/O，否则转第一步
• 中断机制
  • CPU执行完每一条指令后，检测IRL（CPU硬件中一根中断请求线）
  • 若检测到信号，CPU保存当前状态，跳转到中断处理程序
  • 执行中断处理程序
  • 执行完后，清除中断，返回。
• 中断
  • 中断interrupt是CPU对I/O设备发来中断信号的一种响应；陷入trap是CPU内部事件所引起的中断
  • 中断向量表：每个设备的中断处理程序的入口地址等组成的表
  • 中断优先级
  • 中断源：引起中断的事件
• 直接存储器访问（DMA）方式：绕过CPU，直接在I/O设备和内存之间传输数据

I/O内核子系统

• 缓冲：几乎所有I/O设备在于CPU交换数据时，都用了缓冲区
  • 缓冲区是一个存储区域
  • 解决了设备之间的速度差异；协调传输数据大小不一致；维持“复制语义”。
• 高速缓存（Cache）：保留数据拷贝的高速内存
  • 与缓冲的区别：缓冲可能是数据的唯一一个副本；高速缓存是其他地方数据在高速存储上的一个副本。
• 假脱机SPOOLing
  • 程序1模拟脱机输入，把低速I/O上的数据传送到高速磁盘上；程序2模拟脱机输出，把数据从磁盘传送到低速输出设备。
  • 在联机情况下实现的同时外围操作称为假脱机技术SPOOLing
• I/O内核子系统
  • 错误处理
  • I/O保护：定义I/O指令为特权指令；应用程序的I/O操作必须通过系统调用实现
  • 内核数据结构：文件打开表；网络连接；字符设备状态..