我的操作系统复习——I/O控制和系统调用

　　上篇博客介绍了存储器管理的相关知识——我的操作系统复习——存储器管理，本篇讲设备管理中的I/O控制方式和操作系统中的系统调用。

一、I/O控制方式

　　I/O就是输入输出，I/O设备指的是输入输出设备和存储设备。I/O控制方式值得就是CPU对内存资源与I/O设备之间输入输出的控制。I/O的控制方式按照发展有下面几种：

（1）、程序I/O方式。

　　这个最原始的方式的特点是I/O过程中，CPU全程阻塞。CPU向I/O控制器发送指令，要求读取一个字节，IO控制器取一个字节，存入自身的数据寄存器中，存入完毕后通知CPU。然后CPU把这个字节存入内存。在这个过程中，CPU的大部分时间都在等待操作完成。值得注意的是，这种控制方式必须以字节为单位。

（2）、中断驱动I/O控制方式。

　　这种控制方式的特点是I/O过程中，CPU跟I/O控制器并行工作，无需阻塞。传输过程跟程序I/O方式没区别。不过由于CPU在I/O过程中无需阻塞，效率比之程序I/O方式提高了百倍。

（3）、直接存储器访问I/O控制方式——DMA（Direct Memory Access）

　　这是一种非常有效率的I/O控制方式——数据传输的基本单位是数据块；DMA控制器将数据直接送入内存；整个数据块传送开始和结束的一刻CPU才会处理，其他时候CPU与控制器并行工作。值得注意的是DMA控制方式是由DMA控制器实现的，DMA控制器有3部分——主机&控制器接口、控制器&块设备接口和I/O控制逻辑。核心就是主机&控制器接口，这个接口是为了完成主机和块数据的直接交换。DMA控制器为了实现功能有四类寄存器：命令/状态寄存器(CR)，用来存放控制信息和状态；内存地址寄存器(MAR)，存放目标地址；数据寄存器(DR)，相当于缓存，暂存数据；以及数据计数器(DC)，存放本次 CPU 要读或写的字(节)数。数据传送的过程，简单来说就是，传送前在MAR中设置目标地址，在DC中设置数据块大小，然后控制器每从磁盘取数据存入内存或从内存取数据存入磁盘，就把MAR中的目标地址加一，并把DC中数据块大小减一，直到DC中数据块大小为0，数据便传送完毕。可以看到，DMA是由硬件实现数据块移动的。

（4）、I/O通道控制方式

　　这种控制方式是对DMA方式的改进，把一个数据块的传输改进为一组数据块的传输。通道指的是这整个传输的虚拟含义。I/O通道控制方式是由通道程序和设备控制器共同实现的。可以说，它比DMA方式改进的地方在于用程序增加了对DMA方式的控制，使多个数据块的传输能够合为一个整体。

　　《计算机操作系统》上这一幅流程图直接拿来用了：

二、系统调用

　　什么是系统调用？系统调用说白了就是操作系统提供的接口，用以与系统通信，取得系统服务。应用程序需要通过系统调用才能访问操作系统的关键资源。首先来了解一下计算机的两种状态。

（1）、计算机的两种状态——系统态和用户态

　　系统态和用户态，其本质就是CPU的两种状态。

　　1）系统态，又称管态或核心态。处理机运行操作系统的状态。

　　2）用户态，又称目态。处理机运行应用程序的状态。

　　应用程序需要调用系统功能时，通过系统调用，CPU转为系统态，取得系统资源，执行系统功能。对应CPU的系统态和用户态，CPU所执行的指令分为特权指令和非特权指令。

（2）CPU执行的两种指令——特权指令和非特权指令。

　　1）特权指令

　　即CPU在系统态所执行的指令。这种指令只允许系统态的CPU运行，即只允许操作系统调用。特权指令可以对操作系统执行能执行的所有操作，不受任何限制。

　　2）非特权指令

　　即CPU在用户态所执行的指令。这种指令只能执行一般性的操作任务，不能直接进行访问系统中的硬件和软件，其对内存的访问范围也局限于用户空间。应用程序想要访问系统中的硬件和软件，只能通过系统调用间接进行。

（3）系统调用的实现

　　那么系统调用是怎么实现的呢？系统调用是通过中断机制实现的，并且是同一个中断入口来实现。具体操作就是系统调用的时候，CPU转换为系统态，请求系统服务，处理完毕后继续执行应用程序。这里有几个概念需要了解一下：

　　1）中断的本质：百度百科解释的很好：“CPU执行完每条指令时，都会去检查一个中断标志位”，这句话是所有关于中断长篇大论的开场白，但很容易被人忽略，其实，这就是中断的本质。

　　2）内中断（陷入、捕获）：由于系统调用引起的中断

　　3）陷入指令：由于系统调用引起中断的指令称为陷入指令。

　　4）中断标识码（中断类型号）：由硬件（通常是中断控制器）产生，以标识不同的中断源。

　　5）中断向量：中断服务程序的入口地址。在某些计算机中，中断向量的位置存放一条跳转到中断服务程序入口地址的跳转指令。

　　6）中断向量地址：存储中断向量的存储单元地址

参考：《计算机操作系统(汤子瀛)》、百度