操作系统-I/O（1）设备控制器

I/O设备通常是物理上相互独立的设备，它们一般通过通信总线（电缆）与I/O控制器连接。

例如，图中IDE接口是通信总线而非I/O总线。

I/O控制器（I/O接口）在扩展卡或者南桥芯片内，通过I/O总线、北桥芯片连接CPU和MM

I/O硬件建立了外设与主机之间的“通路”：主机----北桥---I/O总线----南桥（设备控制器）----电缆——外设

把printf("hello, world\n”)这样的用户I/O请求，转换为对设备的控制命令并完成设备I/O任务，需要I/O软件与I/O硬件之间的协调工作

 

为达到模块化和通用性的设计目标，通常将I/O设备（又称外围设备、控制设备）中的机械部件和电子部件分开处理。

所有的设备的机械部件都可以抽象成该通用模型：

操作系统与控制器交互，而非与设备交互，外设通过电缆与设备控制器（I/O接口）进行数据、状态和控制信息的传送。

控制逻辑根据控制信息控制设备的操作，并检测设备状态

缓冲器用于保存交换的数据信息

变换器用于在电信号形式（内部数据）和其他形式的设备数据之间进行转换

其中，电子部件称为设备控制器，又称为设备适配器、I/O控制器、I/O控制接口，简称I/O模块或I/O接口，是CPU与设备之间的接口，负责：

• 数据缓冲：

主存和CPU寄存器的存取速度都非常快，而外设的速度则较低，在设备控制器中引入数据缓冲寄存器后，输出数据时， CPU只要把数据送到数据缓冲寄存器即可；在输入数据时，CPU只要从数据缓冲寄存器取数即可。在设备控制器控制将数据缓冲寄存器的数据输出到外设或从外设读人数据时，CPU可以做其他事情。

• 错误和就绪检测

提供了错误和就绪检测逻辑，并将结果保存在状态寄存器，以供CPU查用。

状态信息包括各类就绪和错误信息，如：外设是否完成打印或显示、是否准备好输人数据以供CPU读取、打印机是否发生缺纸、磁盘数据是否发生检验错等。 

• 控制和定时

接收和识别CPU或通道发来的控制信息和定时信号，根据相应的定时和控制逻辑，向外设发送控制信号，以控制外设进行相应的处理。主机送来的控制信息存放在控制寄存器中。 

• 数据格式的转换

提供数据格式转换部件（如进行串－并转换的移位寄存器），使通过外部接口得到的数据转换为内部接口需要的格式，或在相反的方向进行数据格式转换。

例如， 从磁盘驱动器以二进制位的形式读出或写入后，在磁盘控制器中，应对读出的数据进行串-并转换，或对写入的数据进行并串转换。

• 当连接多台设备时，设备地址识别

图为设备控制器的一般结构，不同I/O模块在复杂性和控制外设的数量上相差很大，由状态/控制寄存器、数据缓冲寄存器、地址译码器和I/O控制逻辑、外设接口控制逻辑组成

右边通过接口电缆和外设相连，左边插到插槽上（如PCI插槽）或者直接做在南桥芯片里、南桥芯片再通过I/O总线与主机相连

将I/O控制器中CPU能够访问的各类寄存器称为I/O端口，驱动程序（控制外设进行输入/输出的底层I/O软件）通过访问I/O端口控制外设进行I/O，对I/O端口读写就是向I/O设备送出命令或从设备读状态或读/写数据。

端口有三类：

• 控制端口（命令端口）：CPU通过out指令将控制命令（命令字或者控制字）送到控制寄存器来启动外设工作；控制器对命令字进行解释形成相应控制信息，控制外设进行工作
• 状态端口：CPU通过in指令读取状态寄存器了解外设和设备控制器的状态；
• 数据端口：访问数据缓冲寄存器进行数据的输入和输出。

一个I/O控制器会占有多个端口地址，I/O端口必须编号后，CPU才能访问它，I/O设备的寻址方式就是I/O端口的编号方式：

• 统一编址方式（存储器映射方式）

与主存空间统一编址，主存单元和I/O端口在同一个地址空间中。将I/O端口映射到某个主存地址空间的不同段，故也称存储器映射方式

例如，RISC机器、Motorola公司的处理器等采用该方案，VRAM（显示存储器）通常也和主存统一编址。

此时访问I/O端口也用访存指令move，根据地址范围不同来区分；可用AND、OR或TEST等指令直接操作设备控制器中的控制寄存器或状态寄存器。

优点：系统吞吐率高，外设或I/O端口数目除了受总存储容量的限制外， 几乎不受其他因索的限制。

缺点：减少了可寻址的主存空间；由于在识别I/O端口时全部地址线都需参与地址译码， 使译码电路变复杂了，并需用较长时间进行地址译码， 所以寻址时间变长了。

• 独立编址方式（特殊I/O指令方式）

单独编号，不和主存单元一起编，使成为一个独立的I/O地址空间。因为需专门I/O指令，故也称为特殊I/O指令方式

例如，Intel处理器就是独立编址方式

通过指令操作码来区分，使用专门的I/O指令完成，他们是一种特权指令。IA-32中的I/O指令：in、ins、out和outs

如 IN AL, DX：DX中存放I/O端口地址，将I/O端口中的内容取到AL中

优点： I/O端口数比存储器单元少得多， 选择时只需少量地址线，设备控制器中的地址译码逻辑比较简单，寻址速度快；程序的结构比较清晰， 容易判断出哪部分代码是用于I/O操作的

缺点：I/O指令往往只提供简单的传输操作， 故程序设计的灵活性差一些。