5.1 I/O 管理基础与 I/O 软件层次

I/O 设备的分类，I/O 接口（设备控制器）与 I/O 端口；程序直接控制、中断驱动、DMA、通道四种 I/O 控制方式；I/O 软件的层次结构（用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序）；字符、块、网络设备接口与阻塞/非阻塞 I/O。

I/O 设备

I/O 设备是将数据输入计算机或者接收计算机输出数据的外部设备。常见的分类方法有：

• 块设备：数据的存取和传输都以数据块为单位，属于有结构设备，如磁盘。传输速率较高，可寻址，即可以随机地读写任意一块。通常采用 DMA 方式。
• 字符设备：数据的存取和传输以字符为单位，属于无结构设备，如交互式终端、打印机。传输速率较低，不可寻址，常采用中断方式。

设备控制器与 I/O 端口

CPU 不直接控制 I/O 设备，而是通过设备控制器（I/O 接口）来控制。设备控制器的主要功能是：接收和识别 CPU 发来的命令、与 CPU 和设备交换数据、标识和报告设备的状态、地址识别、数据缓冲和差错控制。它由三部分组成：

• 设备控制器与 CPU 的接口：包括数据线、地址线和控制线，数据线连接数据寄存器和控制/状态寄存器；
• 设备控制器与设备的接口：一个控制器可以连接一台或多台设备；
• I/O 逻辑：接收 CPU 发来的命令，对地址进行译码，控制设备的操作。

设备控制器中可以被 CPU 直接访问的寄存器称为 I/O 端口（数据寄存器、状态寄存器、控制寄存器）。端口的编址有独立编址（使用专门的 I/O 指令）和统一编址（与主存统一编址，用访存指令访问）两种，详见计算机组成原理中的 I/O 接口一节。

I/O 控制方式

通道是专门负责输入/输出的处理机，有自己的指令系统（通道指令），但指令类型单一，而且没有自己的内存，通道程序存放在主机的内存中，与 CPU 共享内存。与 DMA 相比：DMA 方式下由 CPU 控制传送的数据块大小、内存位置，而通道方式中这些信息由通道控制；一个 DMA 控制器只能控制一台（或少数几台同类）设备，一个通道可以控制多台设备。

各种方式的硬件细节和 CPU 开销计算见计算机组成原理第 7 章。

I/O 软件的层次结构

I/O 软件通常组织成四个层次，每层利用下层提供的服务完成本层的功能，并屏蔽实现细节，向上层提供服务：

设备独立性（设备无关性）是指应用程序使用逻辑设备名来请求设备，而不直接使用物理设备名，系统通过逻辑设备表把逻辑设备映射到物理设备。这样，更换或增加物理设备时不必修改应用程序，I/O 重定向也很方便。

应用程序 I/O 接口

设备独立性软件把设备按特性分为几类，为每一类提供统一的接口：

• 字符设备接口：用 get、put 操作逐个字符地读写。字符设备不可寻址，通常属于独占设备，需要互斥使用（open/close 用于申请和释放设备）。
• 块设备接口：用 read、write（以及 seek）以块为单位读写，可寻址。块设备接口还可以把磁盘上的文件映射到进程的地址空间（内存映射接口），之后像访问内存一样访问文件。
• 网络设备接口：现代操作系统提供面向网络的套接字（socket）接口，应用程序通过创建、连接、发送和接收套接字来通信。

按照调用 I/O 后进程是否等待，又分为：

• 阻塞 I/O：用户进程调用 I/O 操作时，进程被阻塞，直到 I/O 操作完成才被唤醒继续执行；
• 非阻塞 I/O：用户进程调用 I/O 操作时不会被阻塞，调用立即返回（如果数据没准备好则返回一个错误码），进程需要不断地询问 I/O 是否完成。

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