I/O裝置管理——硬體/控制方式/軟體/磁碟
I/O裝置管理
參考資料：諶衛軍 王浩娟《作業系統》
1.I/O裝置型別
2. CPU與I/O裝置互動流程
控制器：一組晶片，主要整合在主機板或者，I/O裝置內部
控制暫存器：作業系統通過往其中寫不同的值，來執行傳送/接受資料，開啟/關閉操作
狀態暫存器：作業系統通過讀取其中的值，來自的裝置當前狀態（就緒，繁忙等）
資料暫存器：作業系統讀取與寫入資料
資料緩衝區：作業系統用來讀寫操作
3. I/O地址
CPU需要訪問控制器，就需要I/O地址
- I/O獨立編址：所有控制器中的每一個暫存器分配一個唯一的I/O埠編號
構成的地址單元完全獨立，與記憶體地址沒有任何關係
| 指令 | 效果 |
|---|---|
| MOV AX [2] | 記憶體地址為2的單元內容儲存到暫存器AX中 |
| IN AX [2] | I/O埠編號為2的單元內容儲存到暫存器AX中 |
- 記憶體對映編址：所有控制器中的每一個暫存器對映為一個記憶體地址
與記憶體地址訪問完全相同，一般位於記憶體地址的高位，記憶體低址為普通記憶體
| 優點 | 缺點 |
|---|---|
| 無需專門的輸入輸出命令 | 不能對控制暫存器Cache |
| 無需保護機制（防止使用者執行I/O操作） | 每次都需要去判斷訪問的是記憶體還是I/O |
無需保護機制（防止使用者執行I/O操作原理：記憶體管理中的記憶體保護機制，埠##### 地址排除在使用者程序的邏輯空間之外，不允許他們去訪問
- 混合編址：以上兩者的綜合，對於暫存器 I/O獨立編址，對於資料緩衝區 記憶體對映編址
4. I/O控制方式
作業系統知道地址後，那又以什麼方式訪問呢？
- 迴圈檢測：進行I/O操作，要詢問I/O裝置是否可用，CPU會一直詢問並等到I/O操作完成，再進行下一步----造成了CPU的迴圈等待，十分浪費
- 中斷機制：就是讓CPU不去等待I/O操作完成，而是讓中斷控制器去處理，讓他去叫CPU處理，但最後還是CPU處理。
注：只有中斷處理器收到確認訊號方可以發出新的中斷訊號 - DMA :直接記憶體訪問
注：CPU已經發送命令讓磁碟控制器讀取了磁碟的資料到他的資料緩衝區
1：向磁碟控制器發出讀操作，把要寫入記憶體地址打在總線上
2：磁碟控制器的資料緩衝區取一個位元組，寫入第一步所給地址記憶體中
3：前兩步執行完成後，磁碟控制器向DMA控制器傳送確認訊號（記憶體位元組+1，傳送位元組數-1 if計數器>0 返回第一步）
注：對DMA程式設計指CPU可以向DMA傳送讀寫等等操作
5. 以上已經能實現對I/O的控制，但控制過於細節，為了去掉細節，我們需要設計I/O軟體，更好的管理
API
如WindowsAPI
BOOL ReadFile(HANDLE,LPVOID,DWORD,LPDWORD,LPOVERLAPPED);
這是一個ReadFile API 的引數，對於開發應用程式的人來說，只要知道這個函式怎麼用就行，讓作業系統再去操作那些細節
注：一般我們希望API分兩類，阻塞I/O，形象的來說scanf ；非阻塞I/O 就會涉及到多執行緒程式設計
抽象介面
抽象介面面對的裝置，所以函式原型相同，於是通過驅動程式來對抽象介面進行轉換，比如引數等等，然後才能向裝置控制器傳送指令
裝置獨立的I/O軟體
- 定義與實現了API與抽象介面
- 提供裝置無關的資料塊大小
- 快取技術
拓展：Spooling技術
作用：多道讓CPU可以成為多個邏輯CPU；Spooling技術讓一臺I/O裝置成為多臺邏輯I/O裝置…
6.介紹具體裝置—磁碟
1.結構
磁碟裝置有一個或多個物理碟片，每個物理碟片有一個或者兩個儲存面，儲存面上有若干磁軌，每個磁軌又分若干扇區（資料塊），扇區與扇區間有扇區間隔，磁軌與磁軌間有磁軌間隙，扇區裡的不同欄位有間隙
2. 格式化情況（溫切斯特盤）
600個位元組 ，512位元組存放資料，其餘放其他資訊[圖片來自湯小丹計算機作業系統] 下面數字為大小 單位Byte
Synch Byte：該欄位定界符
CRC：段校驗
3.磁碟訪問時間
尋道時間（移到磁軌）（大部分）+旋轉延遲時間（移到扇區）+傳輸時間
4.磁碟排程演算法
為了減少尋道時間
