I/O 硬件原理
把信息存储在固定大小的块中, 每个块都有自己的地址. 每个块可以独立于其他块读写. 如 硬盘, CD-ROM , USB 盘 …
字符设备以字符为单位发送或接收一个字符流, 而不考虑任何块结构. 它是不可寻址的.
如打印机, 网络接口, 鼠标 (用作指点设备)…
I/O 设备一般由两部分组成: 机械部分和电子部分.
电子部分就是设备控制器. 常以插入 (PCI) 扩展槽中的印刷电路板的形式出现.
控制器与设备之间的接口是很低层次的接口. 它的任务就是把串行的位流转换为字节块, 并进行必要的错误校正.
每个控制器有几个寄存器, OS 可以读写来了解, 更改设备的状态信息. 控制器还有 OS 可以读写的 数据缓冲区.
问题来了: CPU 如何与设备的控制寄存器和数据缓冲区通信.
方法一: 每个控制寄存器被分配一个 I/O 端口 (所有端口形成端口空间, 受保护不被普通用户访问). 然后可以设置指令来读写,
如IN REG, PORT将读取控制器寄存器 PORT 中的内容到 CPU 寄存器 REG方法二: 内存映射 I/O. 将所有控制寄存器映射到内存空间, 都被分配唯一的地址, 且这些内存地址不会再分配.
CPU 读入一个字时, 不论是从内存还是 I/O 端口, 都将目的地址放在总线的地址线上, 总线控制线置 READ 信号看. 还要用一条线表明是 I/O 空间 还是内存空间. 如果是 I/O 空间, I/O 设备将响应请求.
如果需要特殊的 I/O 指令读写设备控制寄存器, 那么访问这些寄存器需要使用汇编代码, 调用这样的过程需要增加开销,
对于 ` 内存映射 I/O , 设备控制寄存器只是内存中的变量, 和其他变量一样寻址, 可以直 C 语言编写驱动程序对于内存映射 I/O , 不需要特殊的保护机制来阻止用户进程执行 I/O 操作. 操作系统只需注意不要将内存映射的地址映射到用户虚拟地址空间. 更有利的是, 如果有多个设备, 可以将内存映射 I/O 映射到不同的页, 可以分配特定的页给用户, 使其使用驱动程序, 而且不担心各驱动程序之间的影响
不能对设备控制器的寄存器进行 cache, 因为设备的状态改变, 软件将没有办法发现. 所以硬件必须对每个页面具备选择性的禁用 chche. 增加了复杂性
在内存映射机器上, 具有单独的内存总线会使 I/O 设备没有办法查看内存地址, 因为内存地址旁路到内存总线上, 没有办法响应.
独立于 CPU 访问系统总线
也就是不用浪费 CPU 处理缓冲区到内存的时间, 相当于另有一个” CPU ” 专门处理 磁盘 到 内存 的 I/O
注意 上面的操作是字模式传送, 在 DMA 请求传送一个字并且得到这个字时, CPU 不能使用总线, 必须等待.
上面是字传输模式, 对于块模式下的传送, DMA 会发起一连串的传送, 然后才释放总线. 这比周期窃取效率更高.
上面 的模式是飞越模式(fly-by mode), 即 DMA 控制器直接通知设备控制器将数据传送到 主存, 只请求一次总线
某些 DMA 使用其他模式. 让设备控制器将字发送到 DMA, 然后 DMA 再 请求总线将数据发送到其他地方 (其他设备, 主存…), 这样会多消耗一个总线周期, 但是更加灵活: 可以 设备->设备, 内存->内存(内存读, 然后 内存写)
不使用 DMA 的考虑:
* CPU 比 DMA 快得多, 当限制因素不是 I/O 设备的读写速度时, 没必要使用 DMA
* 去除 DMA 而用 CPU 使用软件做所有工作可以节省硬件的开销
当一个 I/O 设备完成 jcgz 它的工作后, 它就产生一个中断, 通过在分配给它的一条总线信号线上置起信号. 
如果有多个中断请求, 按优先级, 如果还没有被处理, 设备一直发出中断知道得到 CPU 服务
中断控制器通过在地址先上放置一个数字(中断向量 interrupt vector)表明哪个设备需要关注, 同时向 CPU 发出中断
中断信号导致 CPU 停止当前工作, 并处理其他事情. 根据中断向量跳转到需要的中断服务程序
开始中断服务之前, 硬件需要保存信息
至少程序计数器, 至多可见的寄存器, 一些内部寄存器…
- 如果放在内部寄存器, 那么中断控制器之后无法得到应答, 知道所有可能的相关信息被读出, 以免第二个中断重写内部寄存器保存状态. 这样在中断被禁止时将导致长时间的死机, 并可能丢失中断和数据
- 如果在堆栈中, 使用谁的堆栈?
- 如果使用当前堆栈, 可能是用户进程的, 堆栈指针可能是不合法的.
- 可能指向一个页面的末端, 若干次内存写之后, 可能超出页面发生页面故障. 那么在何处保存状态以处理页面故障?
- 如果用内核堆栈. 切换到和心态可能要求改变 MMU 上下文, 并且可能使 cache 和 TLB 的大部分失效. 静态地或动态地重新状态所有东西将增加处理一个中断的时间, 因而浪费 CPU 的时间
对谁可见就谁来保存
在流水线满的时候, 如果出现一个中断, 由于许多指令处于不同的正在执行的截断. 程序计数器可能无法正确反应已经执行的指令和未执行之间的边界.
在超标量机器上, 指令可能分解成微操作, 为操作可能乱序执行
* 精确中断 (precise interrupt): 将机器留在一个明确状态 
- 不精确中断 (imprecise interrupt)
不满足上面的条件