设备管理之I/O控制方式

I/O设备的控制方式

程序控制I/O（轮询或忙等待模式）

CPU直接与I/O设备进行通信，负责将用户数据传送到I/O端口
用户程序通过系统调用来使用I/O设备
CPU需要不断查询I/O设备的端口状态，性能较低

中断控制I/O

CPU设定I/O设备的初始值，然后不再忙等待，运行其他进程，当前进程阻塞
I/O设备完成对当前数据的处理后，向CPU发出中断，I/O中断处理程序将负责传送剩余数据
中断控制模式依然造成CPU时间的浪费，而且效率不高

DMA控制I/O

使用独立的DMA控制器代替CPU的工作，I/O设备与DMA通信，DMA在传输完成一个数据缓冲区之后再向CPU发中断
DMA模式减少了中断次数，同时又集成了程序控制和中断控制的优点

I/O通道机制

DMA机制过于简单，有时未必能够提高与CPU并行效率
为此专门增加了I/O处理机，专门负责I/O设备的控制和操作，与CPU并行工作
在早期的计算机系统中，由于无中断机构，处理机对I/O设备的控制，采取程序I/O方 式（Programmed I/O方式）。在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使 CPU 的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。 在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中无中断机构，使 I/O 设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。如下图所示：

由操作系统的“服务程序”负责将用户数据传送至打印机端口
服务程序顺序传送打印数据，填满接口缓冲区后就等待（空循环）
每次循环中都检查接口缓冲区是否可用，一旦可用就继续传送数据
数据传送完成后“服务程序”结束，用户进程继续运行
缺点：靠CPU以“忙等待”的形式与打印机进行通信，浪费CPU资源

中断驱动I/O控制方式

在现代计算机系统中，对I/O设备的控制，广泛采用中断驱动（Interrupt—Driven）方式。在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。如下图所示：

“打印服务程序”只将最开始的数据传送至打印机端口，然后阻塞
CPU可继续调度其他进程运行，不浪费CPU时间
一旦打印缓冲区空后，打印机端口发出硬件中断
CPU响应中断，恢复“打印服务程序”运行，继续传送数据
缺点：虽然节省了CPU资源，但是中断响应也消耗较大的系统资源

直接存储器访问DMA控制方式

虽然中断驱动I/O比程序I/O方式更有效，但它是以字（节）为单位进行I/O的，若将这种方式用于块设备的I/O，显然将会是极其低效的。为了进一步减少CPU对I/O的干预， 而引入了直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。如下图：

DMA控制器由三部分组成：

主机与DMA控制器的接口；
DMA控制器与块设备的接口；
I/O控制逻辑；
为了实现控制器与主机之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设四类寄存器：
命令/状态寄存器CR；
内存地址寄存器MAR；
数据寄存器DR；
数据计数器DC；

DMA控制I/O的工作流程

单通道与多通道

中断处理程序

控制I/O设备的基本方法

用户发出系统调用或直接调用I/O设备，然后用户进程阻塞
设备驱动程序启动I/O操作，然后自己阻塞
I/O设备完成操作后产生中断，对应的中断服务程序更新各种状态信息
用户进程恢复为就绪，继续运行

中断处理程序的工作过程

保存CPU现场信息：各类寄存器（最重要的是PSW）
为中断服务程序设定CPU上下文：TLB、内核堆栈等
应答中断控制器：屏蔽同类中断、打开其他中断
恢复中断服务进程的运行，完成对设备控制器接口的操作
操作结束后进行调度，改变用户进程状态，选择下一个运行程序
用户进程恢复正常运行，此时设备驱动程序无事可干，又陷入阻塞

设备驱动程序

设备驱动程序的特点

用来控制设备控制器的代码和指令，被称为设备驱动程序
目前的体系结构中，设备驱动程序属于操作系统的内核部分
操作系统实现过程中，需要提供标准化的接口函数，用于封装设备驱动程序
设备驱动的存在形式：与操作系统统一编译，或者运行时动态链接

设备驱动程序的工作过程

接受上层用户发送的各类参数，并对输入参数进行检查
对硬件设备的可用性进行检查，并接通或者启动设备
控制设备完成对应的操作（通过设置接口寄存器实现）
实现数据的I/O，同时返回操作的状态结果。

设备驱动工作过程中的特殊考虑

设备驱动的工作方式：同步阻塞或持续运行
同步阻塞模式下，必须考虑支持“中断嵌套”的情况，将其设计为可重入
热插拔系统中，自动的适应设备插入或者卸载

设备驱动程序的统一接口

用户空间的I/O软件

I/O操作相关的库函数或工具包

实现对OS内核设备I/O管理机制的封装
向应用层用户提供规范、简洁的操作接口
实现I/O管理底层机制与上层用户的交互

假脱机（Spooling）技术

通过应用软件来实现对独占式I/O设备的管理
缓冲＋封装：用户只需要管理“特殊I/O文件”
守护进程（Daemon）：实现假脱机目录
利用应用程序，将独占式I/O设备虚拟为共享设备

I/O系统管理小结

I/O设备管理面对的各种冲突和矛盾

“独特性”与“兼容性”——标准化环境下的发展选择
“高性能”与“友好性”——系统资源消耗的代价取舍
硬件实现与软件模拟——成本与性能之间的权衡

I/O设备管理的思维方式

统一、规范的软硬件平台是一切技术发展的基础
性能稳定和错误处理机制是一切应用普及的前提
系统观：软硬搭配、高低结合是复杂问题的解决思路
未来趋势：随着硬件成本的降低，软件的作用越来越大
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来源：小段学长