如果所有的外设操作都由CPU完成的话，由于需要等待外设完成操作，将会耗费很多CPU时间。有些计算机有专门的直接存储器(DMA)硬件和IO打交道。DMA能够独立于CPU访问IO。DMA一般是可编程的，CPU告诉DMA要打交道的IO和读出的数据应当存放的内存地址后，就由DMA和IO交互，DMA会等待IO的数据，然后放到指定的内存处，CPU之后就可以直接访问内存了：

使用DMA的方式

DMA会发送和CPU一样的读写指令，所以内存并不知道是谁发送了指令，它只管运行。

有些DMA还有如图的做法：不是自己存储数据放入内存，而是直接告诉控制器内存地址，让控制器直接放入内存。

DMA完成IO操作之后，会产生一个中断给CPU，让CPU回来处理数据。

中断的底层实现

一般IO都挂载到中断控制器上，由中断控制器来向CPU发送中断。CPU也可以对中断控制器进行设置，比如cli汇编指令就是告诉中断控制器忽略可屏蔽中断。

中断控制器一次只能发送一个中断。一般CPU在运行中断处理程序时会先关闭中断，运行完之后会打开中断。如果IO发现CPU没有响应中断，可能会重复发起中断。

精确和不精确中断

精确中断是指满足一下三个条件的中断：

程序计数器（PC）保存在一个已知的地方
PC所指指令之前的所有指令都执行完毕
PC所指指令之后的所有指令都没执行
PC所指指令的执行状态已知

在实模式下的中断都是精确中断，但是保护模式下就不是了。因为保护模式下新增了指令流水线和微操作等特性。

指令流水线是指：将一条指令的执行过程分为很多指令，并传给不同单元执行，每个单元的执行是并行的：

指令流水线基本原理

而为了实现流水线技术，必须将指令分成更小的称为微操作的指令。一旦分解完毕，CPU就可以使用乱序执行技术，将微操作打乱，以自己认为更合理的方式执行。比如指令

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mov eax, [mem1]
shl eax, 5
add eax, [mem2]
mov [mem3], eax

这里对add eax, [mem2]就可以拆分为读mem2内存微操作和将读出结果写入eax微操作，那么我们就可以在执行shl eax, 5指令的同时将mem2的读操作一并执行，然后再写入。这样指令的顺序就变化了。

有了这两种特性，当产生中断的时候指令执行的状态就不是那么容易获得，并且在流水线的情况下很难明确目前究竟执行到哪一条指令。所以这种中断就称为不精确中断

I/O软件原理

接下来简要探讨IO软件的目标和几种实现方法

设备独立性

存在IO软件或者IO库的目的显然在于封装底层IO的不同操作方式，并且提供统一的接口。比如Unix可以通过open()函数操作硬盘，USB，甚至是网卡（打开Socket），而且在访问的时候不需要指定设备。

Unix下的做法是统一命名，所有的设备都映射为文件，只需要通过常规的文件操作就可以对设备操作了。

IO软件还需要做到错误处理：当IO出错了需要报错或者使用某些手段处理错误。

IO软件还需要提供同步和异步操作，也就是我们常听说的异步IO和同步IO。

实现方式

程序控制IO

第一种方式是程序控制IO，用户程序必须通过系统调用访问IO，这将导致代码进入内核空间。内核空间会创建一个缓冲区等待IO数据，填充满之后将缓冲区返回给用户程序。

这里需要注意的是，程序需要一直等待IO数据，如果IO阻塞了需要进行等待，也就是说存在类似下面的代码：

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void read_disk(int disk_num){
  char buffer[1024];
  int i = 0;
  char c;
  while((c=read(disk_num))!=READY){
    buffer[i++] = c;
  }
}

这种方式叫做轮询(Poll)或者忙等待(busy wait)。用高级语言的话说叫做同步IO

中断控制IO

显然程序控制IO很浪费CPU，使用中断的话更好。也就是说当IO完成操作时向CPU发送中断，从而让CPU处理数据。这种就叫做异步IO。

使用DMA的IO

最后一种就是使用DMA，如果你的电脑存在DMA硬件的话。

设备驱动程序

一般来说每一类设备都会有一个设备驱动程序，专门用于和这个设备打交道的。设备的厂商也会自己开发设备驱动程序以供给知名的操作系统。

使用设备驱动程序的IO

与设备无关的IO软件

设备驱动程序的统一接口

每次增加新类型的驱动的话就需要新编写驱动程序，并且需要定义和操作系统交互的接口。这还少很麻烦的事情。所以需要统一设备驱动程序的统一接口。Unix就做的很好：将设备全部映射为文件。

缓冲

用户通过IO系统调用进入内核后，内核一般都有一个缓冲区用于缓冲。有些内核甚至存在双缓冲：一个缓冲用于将读好的数据交付给用户程序，一个用于接收从设备来的数据。

有些时候内核没有缓冲，用户程序可以自己定义缓冲。

带有缓冲的IO软件

错误报告

当设备发送错误的时候必须向用户程序报告错误。

分配与释放专用设备

如果一个设备一次性只能被一个进程占用，就需要对设备使用进行检查。这也就是为什么在高级语言中设备是通过文件句柄交互的原因。

与设备无关的块大小

对于块设备来说，不同设备有不同的块大小。IO软件需要定义一个和设备无关大小的块来方便和用户程序交互。

I/O硬件

接下来看一些几乎每个电脑上都有的IO硬件

磁盘

磁盘是典型的块设备。其内部结构如下：

磁盘内部结构

磁盘由多个盘片组成，每个盘片被划分为扇区和磁道。磁道就是用多个同心圆之间的区域，而扇区就是在同心圆区域之间，被从圆心向外发出的直线所分割的区域。每个盘一般有两个盘面。多个盘的同一组磁道在空间上组成了一个圆柱，就被称为柱面。读写磁头就是用于读写磁盘的磁头。

需要注意的是，读写磁头必须一起移动，不能分开移动。

对于磁盘的读写，一般来说都是通过指定柱面，磁道，扇区（CHS方法）三个坐标来读取，但是也有称为LBA直读的方式，其将柱面，磁道，扇区编码成一列，你可以通过读取数组一样的方式来读取。

LBA的优点是软件读取十分方便，但是没有办法利用好磁盘的特点，比如你要读第一LBA和第二LBA，那么磁头必须进行一次移动，从一扇区移动到二扇区。而CHS方法则可以很好地利用磁盘物理结构，如果你想要读取不同盘面的同一扇区的话，磁头只需要移动到对应扇区即可（因为各个盘面的扇区在同一柱面上），这样读取起来十分块。

现在有些机器还是用RAID（廉价磁盘冗余阵列），其实就是讲多个磁盘叠在一起组成大磁盘，然后由专门的RAID设备驱动程序控制。一般用在服务器上。

磁盘臂调度算法

由于磁盘臂只能一起移动，所以需要想一些调度算法。

磁盘的读取速度一般由以下因素决定：

寻道时间（将磁盘臂移动到指定柱面上的时间）
旋转延时（等待指定扇区旋转到指定磁头下面的时间）
实际读取时间

先来先寻道（FCFS）算法

这个算法也是最容易想到的：先来的读写请求先执行。这种算法就属于无脑算法，因为磁盘臂可能需要移动很长的距离。比如读取请求按顺序是这样的（为了简化，假设只有一个盘，盘只有一个磁道）：3扇区，5扇区，1扇区，6扇区。那么这样移动顺序为3->5->1->6，一共移动了11个扇区的距离。

最短寻道优先（SSF）算法

这种算法总是优先处理距离当前位置最短的请求，比如存在请求:3，5，1，6。那么移动顺序为3->5->6->1一共走了7个扇区的距离。这种算法的缺点在于，如果近距离的读写请求不断被发送，那么远距离的扇区可能需要等待很长时间。

电梯算法

这个算法是同时也是现实中电梯的算法：先往一个方向移动，直到这个方向上没有扇区时向反方向移动。比如存在3,5,1,6,2扇区的请求，并且现在的方向是向右移动，那么首先读取3->5->6三个扇区，在这个方向上一节没有要读写扇区了，那么向反方向移动，变为6->2->1读取三个扇区。这种算法目前是应用最广的。

时钟

时钟既不属于块设备，也不属于字符设备。时钟由晶振组成，在早期的电脑中，只需要将时钟两端通上电，时钟就可以以一定频率进行振动，从而计时。现在在单片机中我们仍然能看到这样的时钟。

现代计算机一般都是可编程时钟：

可编程时钟

晶振连接着一个计数器，并且还存在一个存储寄存器。当晶振开始工作的时候，存储寄存器将值放入计数器中，晶振每振动一次，计数器的值就减1，如果计数器值为0，时钟向CPU产生时钟中断，并且再次将存储寄存器的值放入技术器中。由于可以编程指定存储寄存器的值，所以是可编程的。这样中断频率就可以通过软件设置了。

一般时钟软件都有如下功能：

维护系统时间
防止进程运行超时
对CPU使用情况进行记账
处理用户提出的alarm请求
为系统各个部分提供监视器
完成概要剖析，统计和监视功能

键盘和鼠标

关于键盘要提的就是系统接收到的键盘按键信息并不是ASCII码，而是按键扫描码（Scancode）。一般键盘不超过128个键，所以使用一个8位寄存器即可记录扫描码，最高位可以用来记录键是否按下的状态。

鼠标没什么可说的，就是返回按键信息和x，y方向上的偏移量。

显示器

也没什么可说的，这里科普一下：显示器有两种模式：字符模式和图像模式（VGA模式），这两种模式的IO内存映射也不一样。字符模式下只能显示字符，不能显示图像，但是显示字符很方便（只需要将字符的ASCII码和颜色信息发送给显卡即可），而图像模式下可以绘制图像，但是显示字符也是通过绘制的方式，比较麻烦。

操作系统-5-I/O