引言
上一篇学习了文件系统的原理，我们知道了操作系统是如何管理文件的，但是却没有学习磁盘是如何处理操作系统发出的读写操作，这一篇我们要学习操作系统是如果实现I/O和管理I/O的。
什么是I/O
I/O包含两部分，I/O设备和I/O接口以及如何管理I/O设备，I/O设备就是我们常见的磁盘、网卡、鼠标键盘、打印机和显示器等。
接下来的文章就要学习I/O设备、I/O模型和I/O、中断处理和错误处理。
I/O硬件原理
IO设备
- 块设备：存储信息在固定大小的块，每一个块都自己的地址，所有的传输单元都是一个或者多个块。可寻址，基本特征是每个块都可以独立于其他块读写。例如硬盘、光盘、USB
- 字符设备：传送和接收一个字符流，不可寻址。例如打印机，网络接口
CPU与设备管理器交互
设备控制器有一个寄存器用于和CPU交互，有一些控制器还有数据缓存结构，接下来要讲讲如何解决CPU和设备控制器寄存器和数据缓存交流的方式
I/O端口号
原理：这种方法为每个寄存器分配一个I/O端口号，是一个8bit或16bit的整数。和设备管理器交流通过特殊I/O指令，比如从设备管理器读取数据到CPU寄存器
1
IN REG,PORT
从CPU寄存器写数据到设备管理器
1
OUT PORT,REG
在这种方案中，内存地址空间和I/O地址空间是分开的，比如
1
2
3
4# 读取I/O端口4的内容然后加载到CPU的R0寄存器
IN R0,4
# 将内存字4加载到CPU的R0寄存器
MOVE R0,4地址空间示意图
内存映射I/O
原理：这种方案是映射I/O设备控制器寄存器到内存地址空间，所有的I/O设备管理器寄存器被分配唯一的内存地址，并且这些地址不会再被分配给其他使用。CPU和设备管理器寄存器交互不需要特殊指令，其地址空间结构如下。内存映射I/O的作用是让通过这种抽象，让CPU可以像访问内存一样访问I/O设备，采用同一套指令
优点
- 不需要汇编指令(IN OUT)支持,C语言可以支持，因此设备驱动可由C语言实现
- 不需要特殊的保护措施来防止用户直接访问I/O设备，OS只需要把I/O控制器寄存器映射的内存空间不放入用户空间即可。
- 所有可用于内存的指令都可以用于I/O控制器寄存器
缺点
对I/O控制器寄存器值缓存是重大的灾难。解决办法：硬件为为页提供了选择禁用缓存的功能，但是又增加了OS的复杂性
如果只有一个地址空间，所有的内存模块和I/O设备都要对每一个地址检查，以便做出响应，采用单一的bus总线是简单可行的(下图a)。现代计算机为了提高性能建立了CPU到内存单独的总线(下图b)，这个时候CPU访问内存通过这个独立的总线，内存映射的I/O寄存器访问就有问题，I/O设备没法查看CPU发出的地址，因此没办法响应
- 解决方案
- 先发送给内存，如果返回失败，再将地址返送到所有其他bus上。需要额外的硬件复杂性
- 在内存总线上增加一个探测器，放过I/O设备可能的感兴趣的所有地址。I/O设备的响应速度可能跟不上内存的速度
- 通过内存控制器过滤I/O设备的映射的地址，内存控制器预装载引导时设备寄存器的地址范围。引导时就要确定设备寄存器映射的地址范围
- 解决方案
混合实现
原理：这种方案是在内存映射的I/O设备管理器数据缓冲区，而设备管理器的寄存器通过分配I/O端口的方式，其结构示意图如下
CPU读取过程
- cpu发送一个地址到bus的地址线上
- 然后在bus的控制线置起一个READ
- 在第二个信号线上标识该地址是内存地址空间还是I/O地址空间
- 如果是内存地址空间，那么内存响应请求
- 如果只有内存地址空间，那么内存模块和所有的I/O设备会比较地址范围，如果该地址在其范围内，那么该设备会响应请求
直接内存访问(DMA)
解决的问题：无论是否使用内存映射I/O，CPU都需要寻址设备管理器交换数据，cpu一次可以与设备管理器传输一个byte，然后写入内存，再读下一个。效率非常低，DMA就是用来解决这一问题的技术
原理：DMA的作用是将数据从设备复制到内存不需要经过CPU，从而提升效率。为了简化原理，这里假设所有的I/O设备和内存在一条bus上，DMA的作用如下图。有时有些设备有独立的DMA比如磁盘，但是更通用的是DMA在主板上作为所有I/O设备共用。DMA是可编程的，CPU可以对其进行编程，DMA有一个内存地址寄存器、一个count寄存器、一个或多个控制寄存器，控制寄存器包含使用的I/O端口号、数据流向(读/写I/O设备)、传输数据单元(byte/word)和一次突发传输的byte数
DMA处理Disk数据流程
CPU编程DMA控制器，然后发出命令到bus上通知Disk控制器，磁盘控制器读取数据到内部缓存然后校验是否数据是否正确
当磁盘数据准备完成后，DMA在bus上发出read请求、
Disk控制器收到read请求并且从bus上知道了写入下一个字节的内存地址
disk控制器传送完成后，像DMA发出确认应答
DMA收到应答后增加内存地址并且减小count寄存器的值，如果不为0，重复2-4步骤，如果count为0，则DMA发出一个中断，通知CPU数据准备好了
从上边的步骤可以看出，DMA其实只是做了CPU复制数据到内存的工作，解放了CPU，让CPU去做其他事
DMA传输模式
- word-at-a-time模式：一次传输一个字节，如果CPU想用bus则需要等待，DMA偷偷的溜进来窃取CPU周期来传输一个字，所以叫作“周期窃取”
- 块模式：获得bus一次传输一串的字节然后释放bus，叫作“突发模式”，效率更高。不足：可能会长时间占用bus导致cpu和其他设备阻塞
- 飞跃模式：DMA向设备发送请求读取一个word，设备传输到DMA，然后DMA在bus上再发送一个写请求将这个字写到它要去的地方，这个模式传输每个word需要额外的bus周期，但是提供了很好的灵活性，可以device-to-device，memory-to-memory
DMA小结：并不是所有的计算机都有DMA，因为现在cpu越来越快，如果让快速的cpu无所事事的等待DMA处理I/O传输得不偿失，在嵌入式计算机上尤其重要，少一个组件可以节省钱
中断
当设备完成工作会置起一个中断信号在bus上，这个信号被中断处理器检测到，如果中断处理器此时空闲，那么会立即处理这个中断信号，但是如果此时中断处理器正在处理其他中断或者bus上同时有一个优先级更高的中断，那么该中断信号会被忽略，设备会重新置起中断信号直到被CPU处理。中断处理器会放置一个代表需要被关注的设备的数字(中断向量索引，用于读取新的程序计数器，该程序计数器指向相应中断服务过程)在bus上，导致cpu停止当前工作并根据中断向量索引开始处理新的中断处理程序，当cpu中断过程开始后，会发出一个确认到中断处理器，示意中断处理器可以处理下一个中断信号。下图是个人计算机的中断处理示意图
保存中断程序信息以便恢复
- 保存方式
- 各个CPU处理不一样，但是最基本要保存程序计数器
- 保存所有可见寄存器和内部寄存器都保存
- 保存在哪儿
- CPU内部寄存器：缺点是要等到内部寄存器的值被读出才能应答，防止下一个中断到来，将内部寄存器值覆盖
- 保存在栈上
- 保存在用户空间栈上，堆栈指针可能不是合法的，会导致致命错误；其次，它可能在页面末端，几次写操作后可能发生缺页，将导致一个更重大的问题，缺页也是一个中断，在何处保存状态来处理缺页
- 保存在内核空间栈上，堆栈指针是合法的并且指向一个固定的页面。问题：切换到内核态可能会切换MMU上下文，缓存和TLB可能会失效
- 保存方式
精确中断与非精确中断
问题：由于现代CPU具有流水线和超标量架构存在不同程度的问题，流水线使CPU可以流水线式的处理指令，而超标量则可以并行处理微指令，程序计数器不能准确表达指令的执行情况。比如当中断出现时，流水线的指令可能处于不同的阶段；而超标量将指令分解成微指令，可能导致之前的指令可能还没执行完，而最近的指令可能已经执行完成
精确中断：中断停留在某个确定的状态
PC(程序计数器)保存在已知的地方
在PC之前的所有指令都已执行完毕
在PC之后的所有指令都没有执行
PC指向的指令状态是已知的
如下图，PC316
非精确中断：不满足精确中断条件都为非精确中断，其示意图如下，比如PC为316，但是PC前后都有指令执行。需要保存的信息很多，导致中断处理慢
小结
有些中断和陷阱是精确的（I/O中断），有些不是精确的（程序错误），有些机器有一个位来设置中断时精确中断。某些超标量机器为了兼容精确中断，使得CPU内部复杂，必须记录日志和寄存器的副本，这是很大的性能开销。非精确中断使得操作系统复杂并且运行得很慢
I/O软件原理
I/O软件目标
- 设备无关性
- 统一命名：所有的设备和文件都用同一种方式-路径名寻址
- 错误处理：错误应该在更接近于底层得到处理，解决不了的在交给上层处理
- 同步(阻塞)异步(中断)：大多数I/O是异步的，cpu可以处理其他程序，I/O完成时会发出中断信号。同步的程序更容易编写
- 缓冲：数据离开设备后通常不能直接到达其目的地，因此需要一个缓冲区来暂存
- 共享设备和独占设备问题：共享设备如disk，可以同时被多个用户使用；而打印机则不能被多个用户同时使用属于独占设备
可编程I/O
定义：可编程I/O的关键是需要CPU的处理数据传输，并且一次只能传输一个字符。
简单的例子
- 用户程序准备需要打印的字符到缓冲区
- 用户程序调用打开打印机的系统调用，如果打印机正在被使用，则系统调用等待，否则程序获得打印机发出打印系统调用
- 操作系统将用户缓冲区复制到内核缓冲区，然后检查打印机是否可用，如果可用，则操作系统复制一个字符到打印机，然后轮询检查是否可以传输下一个字符
中断驱动I/O
- 可编程I/O存在的问题：打印机打印的速度是很慢的，当传输了一个字符之后，CPU便轮询设备是否就绪，非常浪费cpu
- 定义：中断驱动I/O用于解决这一问题，用户程序需要打印时，首先还是先将字符从用户空间复制到内核空间的缓冲区，然后操作调用打印，为了避免CPU浪费，调度器立即调用其他程序运行。当打印机完成打印准备好接收下一个字符时，会发出一个中断，中断cpu当前的用户程序，启动打印中断服务继续判断是否还有字符需要打印
利用DMA的I/O
- 中断驱动I/O存在的问题：中断驱动I/O每打印一个字符都需要中断一次，中断也需要开销
- 定义：为了解决每打印一个字符都需要中断的问题，原理上利用DMA的和可编程I/O一样，操作系统利用DMA来完成CPU的工作，解放CPU去做其他的事。所以当CPU无所事事时，可编程I/O或中断驱动I/O可能比DMA的I/O效率要高，因为CPU比DMA更快
通道控制的I/O
- 原理：以内存为中心，实现设备和内存直接交换数据，CPU向通道发出指令，指明内存中通道程序、I/O设备。然后调度器切换程序。通道执行内存中的通道程序并读取/写入其中指明的字节数，当完成之后发出中断
I/O软件层次
I/O软件通常组织成4层，从下到上中断处理程序、设备驱动程序、设备无关的操作系统软件和用户级I/O软件，其示意图如下
