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I/O硬件原理

I/O设备

I/O设备分为块设备和字符设备

  • 块设备：信息存储在固定大小的块中，块都有自己的地址，每个块也都能独立读写；包括硬盘、光盘、U盘等

  • 字符设备：以字符为单位发送或接受一个字符流；如鼠标、打印机、网络接口等

设备控制器

I/O设备由机械部件和电子部件两部分组成

电子部件又称为设备控制器或适配器，负责设备与外界的联系，将数据流转换为字节块

机械部件就是设备本身

内存映射I/O

控制器拥有数个寄存器，通过这些寄存器完成与操作系统的联系

CPU与寄存器通信的方法之一就是内存映射I/O，即给每个控制寄存器分配唯一专有的内存地址；CPU申请读入信息时，将读入信号和地址发送在总线上，负责相应地址的内存模块或I/O设备将响应请求

  1. 通常情况下，需要使用汇编代码访问寄存器

  2. 操作系统不需要特殊的保护机制阻止用户进行I/O操作，只需将寄存器地址与用户地址分开即可

  3. 引用内存的指令也可以引用寄存器

  4. 应避免寄存器使用高速缓存，否则将循环引用高速缓存的值

直接存储器存取(DMA)

DMA在任何物理位置都能独立于CPU访问系统总线，当硬件具有DMA控制器时才能使用DMA

  1. CPU通过设置DMA控制器的寄存器进行编程处理

  2. DMA在完成编程后，向磁盘控制器发出命令，使数据从磁盘读入缓冲区，然后可以在地址总线上发起读请求，令数据从缓冲区读入内存，读完一个地址块后，收到磁盘控制器响应的DMA控制器就将下一个需要读取的地址发往地址总线

I/O软件原理

I/O软件的目标

  1. 设备独立性：无论程序由什么设备所写，需要访问什么目的设备，都可以相同地工作

  2. 统一命名：每一个文件的名字都应该是独一无二的，可以通过一个字符串检索到唯一的文件

  3. 错误处理：当控制器发现某错误时，需要设法自己解决，若无法解决，则交由设备驱动设备解决，最后再交由高层解决

程序控制I/O

当用户需要打印一个字符串时

  1. 进程将字符串存放在缓冲区

  2. 进程调用打印机直至拥有

  3. 操作系统将缓冲区的字符复制到内核中的数组里

  4. 等待直至打印机可用，即发送数据到打印机的数据寄存器中

  5. 打印机再次就绪后继续发送字符直至打印完所有字符

中断驱动I/O

中断驱动I/O允许CPU在等待打印机就绪的过程中做其他的事情，直至打印机就绪完毕发起中断请求将正在运行的程序挂起，继续打印字符串

使用DMA的I/O

使用DMA一次给打印机提供一个字符而不去打扰CPU，可以让CPU在此期间做更有意义的工作

I/O软件层次

中断处理程序

中断在计算机系统中是应该尽量避免的，因为对中断的处理需要大量的CPU指令,特别是在存在虚拟内存的机器上

设备驱动程序

不同的I/O设备的工作内容和工作原理是不相同的,需要有一套程序对不同的I/O设备进行控制

程序需要访问设备的硬件，设备驱动程序需要是操作系统内核的一部分；程序需要工作时，操作系统将程序文件所在的地址映射到内存中(装载)

与设备无关的I/O软件

  1. 不同的设备驱动程序对内核的调用函数是不同的，不可能为了每一个设备去修改操作系统，于是操作系统需要提供一个统一的接口

  2. 缓冲：当需要在用户、内核与控制器之间进行数据传输时，需要设置缓冲区以确保数据传输的连续性，避免中断产生的大量浪费

  3. 错误报告：当操作系统发现出现了错误，需要返回错误代码或向用户请示通知

守护进程和假脱机目录

当进程需要调用打印机时，需要将等待打印的文件放入假脱机目录下，由守护进程进行逐一打印；这样就可以防止进程无止境地占有打印机了

盘

RAID

RAID （ Redundant Array of Independent Disks ）即独立磁盘冗余阵列，简称为「磁盘阵列」，其实就是用多个独立的磁盘组成在一起形成一个大的磁盘系统，从而实现比单块磁盘更好的存储性能和更高的可靠性。

  1. RAID0：RAID0 是一种非常简单的的方式，它将多块磁盘组合在一起形成一个大容量的存储。当我们要写数据的时候，会将数据分为N份，以独立的方式实现N块磁盘的读写，那么这N份数据会同时并发的写到磁盘中，因此执行性能非常的高。但RAID0的问题是，它并不提供数据校验或冗余备份，因此一旦某块磁盘损坏了，数据就直接丢失，无法恢复了。因此RAID0就不可能用于高要求的业务中，但可以用在对可靠性要求不高，对读写性能要求高的场景中。

  2. RAID1：RAID1是磁盘阵列中单位成本最高的一种方式。因为它的原理是在往磁盘写数据的时候，将同一份数据无差别的写两份到磁盘，分别写到工作磁盘和镜像磁盘，那么它的实际空间使用率只有50%了，两块磁盘当做一块用，这是一种比较昂贵的方案。

  3. RAID3:RAID3的方式是：将数据按照RAID0的形式，分成多份同时写入多块磁盘，但是还会另外再留出一块磁盘用于写「奇偶校验码」。例如总共有N块磁盘，那么就会让其中额度N-1块用来并发的写数据，第N块磁盘用记录校验码数据。一旦某一块磁盘坏掉了，就可以利用其它的N-1块磁盘去恢复数据.但是由于第N块磁盘是校验码磁盘，因此有任何数据的写入都会要去更新这块磁盘，导致这块磁盘的读写是最频繁的，也就非常的容易损坏。

  4. RAID5: RAID5模式中，不再需要用单独的磁盘写校验码了。它把校验码信息分布到各个磁盘上。例如，总共有N块磁盘，那么会将要写入的数据分成N份，并发的写入到N块磁盘中，同时还将数据的校验码信息也写入到这N块磁盘中（数据与对应的校验码信息必须得分开存储在不同的磁盘上）。一旦某一块磁盘损坏了，就可以用剩下的数据和对应的奇偶校验码信息去恢复损坏的数据。

磁盘格式化

  • 柱面斜进：当磁头需要转移到另一个磁道时，由于磁盘仍会旋转一段距离，磁头也就无法直接顺序读取信息

时钟

输入输出软件

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