LINX IO介绍

I/O设备

• ? 现代计算机系统通常配备大量的I/O设备，用于计

• ? 算机系统与外部世界（如用户、其它计算机或电 子设备等）进行信息交换或存储

• ? I/O设备又称为外围设备或外部设备，简称外设

• I/O操作：内存和I/O设备之间的信息传送操作 不仅影响计算机的通用性和可扩充性，也是计算机 系统综合处理能力及性价比的重要因素

I/O设备的分类

• 按信息传输方向划分

• ? 输入设备：将外界信息输入计算机

• ? 例如：键盘，鼠标，扫描仪等

• ? 输出设备：将计算结果输出

• ? 例如：显示器，打印机等

• ? 输入输出设备：既可以输入信息，也可以输出信息

• ? 例如：磁盘驱动器，网卡等

按交互功能划分

• 人机交互设备：用于用户与计算机之间的交互通信

• 例如：鼠标，键盘，显示器等

• 存储设备：持久性地存储大量信息并快速检索

• 例如：磁盘驱动器，光盘驱动器等

• 机机通信设备：用于计算机和计算机之间的通信

• 例如：网卡，调制解调器等

• 按设备管理划分

• 字符设备：以字符为单位进行信息交换，发送或接收一个字符流

• 人机交互设备大多是字符设备，例如鼠标、显示器等

• 块设备：以固定大小的数据块（块是存储介质上连续信息组成的一个区域）进行信息交换

• 存储设备通常为块设备，例如磁盘驱动器等

• 网络设备：用于与远程设备通信的设备

• 机机通信设备为网络设备，例如网卡等

• 网络设备可以抽象为传送字符流的特殊字符设备，也可以抽象为传送连续小块数据的块设备

设备管理的目标

• 克服设备和CPU速度的不匹配所引起的问题，使主机和设备并行工作，提高设备使用效率

?

轮询方式

• 流程：

• 处理器向控制器发送一个I/O命令

• 如果设备未就绪，则重复测试过程，直至设备就绪

• 执行数据交换

• 等待I/O操作完成后，才可以继续其它操作

直接存储器访问（DMA）方式

• DMA模块

• 模仿处理器来控制主存和设备控制器之间的数据交换

• CPU不会终止原程序的执行

• CPU只在数据传送的开始和结束时参与

• 开始时，CPU需要对DMA模块进行初始化

• 结束时，CPU响应中断，但不必保存现场

DMA方式中的周期窃取

? 当DMA和CPU同时经总线访问内存时，CPU总是将总线的占有权让给DMA一个或几个主存周期

? 周期窃取对延迟CPU与主存的数据交换影响不大

? 数据传送过程是不连续的和不规则的

? CPU大部分情况下与Cache进行数据交换，直接访问内存较少

I/O通道

• 又称为通道控制器、I/O处理器

• 设备控制器包含自身专用的处理器和通道程序

• I/O指令不再由处理器执行，而是存在主存中，由I/O通道所包含的处理器执行

• 采用四级连接：处理器，通道，控制器，设备

• 可控制多台同类或不同类的设备

• 流程：

• CPU在遇到I/O请求，启动指定通道

• 一旦启动成功，通道开始控制I/O设备进行操作，CPU执行其他任务

• I/O操作完成后，I/O通道发出中断，CPU停止当前工作，转向处理I/O操作结束事件

• CPU与通道并行工作

• 带有局部存储器的I/O通道

• 相当于一台自治的计算机

• I/O指令存储在控制器自带的局部存储器中，并由I/O通道所包含的处理器执行

• 可以控制大量的I/O设备，同时最小化CPU的干涉

• 常用于交互式终端通信，负责包括控制终端在内的大部分任务

I/O发展对总线的影响

• 单总线

• 将CPU、主存和I/O模块连接到同一组总线上

• 优点：结构简单，易于扩充

• 缺点：主存需要和I/O模块共用总线；设备增多会造成总线变长，进而增加传输时延；无法适用于大量高速设备

• 采用南北桥的多级总线（例）

• 通过存储总线、PCI总线、E(ISA)总线分别连接主存、高速I/O设备和低速I/O设备

• 优点：可以支持不同数据速率的I/O设备

I/O软件

• 设计目标

• 高效率：改善设备效率，尤其是磁盘I/O操作的效率

• 通用性：用统一的标准来管理所有设备

• 设计思路

• 把软件组织成层次结构，低层软件用来屏蔽硬件细节，高层软件向用户提供简洁、友善的界面

• 主要考虑的问题

• 设备无关性：编写访问文件的程序与具体设备无关

• 出错处理：低层软件能处理的错误不让高层软件感知

• 同步/异步传输：支持阻塞和中断驱动两种工作方式

• 缓冲技术：建立数据缓冲区，提高吞吐率

I/O软件的层次结构

双缓冲

• 使用两个缓冲区

• 输入：设备先将数据输入缓冲区1，系统从缓冲区1把数据传到用户区，供应用程序处理，同时设备将数据传送到缓冲区2

• 输出：应用程序将数据从用户传送到缓冲区1，系统将数据传送到设备，同时应用程序将数据传送到缓冲区2

如果您决觉得这篇文章对您有小小的帮助的话，可以关注下方公众号，在公众号同样会推送技术给大家。

来源：yu_1992_11_25