IO介绍-中

系统接口

块设备接口

1. 块设备：数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。典型的块设备是磁盘。该设备的基本特征是传输速率高，另一特征是可寻址，即能指定数据的输入源地址及输出的目标地址，可随机读写。磁盘设备通常采用DMA方式。
2. 隐藏了磁盘的二维结构
3. 将抽象命令映射为低层操作：块设备支持上层发来的对文件或设备的打开、读写、关闭等抽象命令。该接口会将上述的接口转换成实际的需要的更为复杂的命令

流设备接口

流设备接口实际上也是字符设备接口，它反应了大部分字符设备的本质特征，用于控制字符设备的输入或输出。

1. 字符设备：数据存取都是以字符为单位，如键盘、打印机等。字符设备基本的特征是传输速度慢，通常每秒几个字节到几千个字节。还有一个特征是不可寻址，不能只能数据的输入源和输出的目标地址。字符设备在输入/输出时采用中断驱动方式
2. get和put操作：由于字符是不可寻址的，因而对它只能采用顺序存取的方式。通常是为每一个字符设备建立一个字符缓冲区（队列），设备的IO字符流顺序地进入队列，或者是从队列中取走一个字符。get是从缓冲区立刻获取一个字符，pu是把一个新的字符写入缓冲区，等待送到设备
3. in-control :因为字符设备类型太多，为了统一管理他们，通常在流设备接口中提供一种通用的in-control指令，在该指令中包含了许多参数，每一个参数表示一个鱼具体设备相关的特定功能。大多数字符设备是独占设备，必须采取互斥方式实现共享。因为，设备提供了打开和关闭的操作。在使用这类设备时，必须先打开设备，才能使用。如果已被打开，表示其他进程正在使用该设备。

网络通信接口

网卡

设备与控制器之间的接口

一般情况下，设备不是直接和cpu进行连接的，硬件设备是和设备控制器连接的。因此，IO设备中应该包含与设备控制器之间的接口。在该接口中，有三种类型的信号：

1. 数据信号线：比如输入设备中，由外界输入的信号经过转换器转换后，所形成的数据通常是先进入缓冲器中，当数据量达到一定量后，再从缓冲器通过一组数据信号线传送给设备控制器；对于输出设备而言，是先从设备控制器经过数据线传来的一批缓冲器中，经过适当的转换后，再逐个字符输出
2. 控制信号线：是由设备控制器向设备发送控制信号的通路。该信号规定了设备要执行的操作，如读操作或写操作或者是移动磁头的操作
3. 状态信号线：用来传送设备的当前状态的信号。设备当前的状态有：在读、在写、已读、已写、并准好新的数据传送

设备控制器

一个设备控制器可以控制多个设备，它是一个可编址的设备。连接一个设备的话，就只有一个设备地址，连接多个的话，就有多个设备地址。每一个设备地址对应一个设备。

设备控制器可分为两种类型：

1. 控制字符设备的控制器
2. 控制块设备的控制器

设备控制器基本功能

1. 接受和识别命令：在控制器中有对应的控制寄存器，用户存放接收到的命令和参数，并对所接收的命令进行译码。
2. 数据交换：它能接受cpu传来的数据，同时还要接收设备传来的数据。所以，它必须设置对应的数据寄存器
3. 标识和报告设备状态：它有对应的状态寄存器，用其中的每一位表示设备的某一种状态。当cpu需要知道当前设备的状态，直接从控制器就返回了
4. 地址识别：设备控制器必须能识别每个设备的地址，还有对应寄存器中对应的唯一的地址
5. 数据缓冲区：由于IO设备速度较低，而CPU和内存的速度很高，所以在控制器中必须设置一个缓冲区。设备到内存时，可以累积一批数据后，再将缓冲区的数据高速传递给内存；内存到设备时，先是多次将数据存入缓冲区中，再一次性送到设备。
6. 差错控制：如果出现错误，会将错误向cpu报告，于是cpu会将本次传输的数据丢掉，再进行重新一次的传输。

设备控制器的组成

设备控制器是工作在硬件设备和cpu之间的，所以有以下三部分组成：

1. 设备控制器和cpu的接口：用于实现设备控制器和cpu的交互。所以该接口中三类信号线：
1. 数据线：通常和两类寄存器连接，一种是数据寄存器，这种寄存器有一个或者多个，用于存输入或者输出的数据；另一种是控制/状态寄存器，用来存放cpu发送的指令或者是设备状态；
2. 地址线
3. 控制线
2. 设备控制器与设备的接口：一个设备控制器可以控制多个设备。每个接口中都有数据、控制和状态三种类型的信号。控制器中IO逻辑根据发来的地址选择一个设备口。
3. IO逻辑：它实现对设备的控制。它是通过一组控制线与CPU交互，CPU利用该逻辑向控制器发送IO命令。每当CPU要启动一个设备时，一方面将启动命令发送给控制器，另一方面同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的IO逻辑对收到的地址进行译码，再根据翻译后的命令对设备进行控制。

内存映像IO

驱动程序将抽象的IO命令转换成一些列的具体的命令、参数等数据载入设备控制器相应的寄存器中，有控制器来执行这些命令，具体实施对IO设备的控制。有一下两种方法来完成：

1. 利用特定的IO指令：
   固定的命令：如
   io-store cpu-reg,dev-no,dev-reg
   cpu-reg ：cpu某一个寄存器
   dev-no: 指定的设备
   dev-reg : 指定控制器里面的寄存器
   这种方式的缺点：访问内存和访问设备需要两种不同的指令
2. 内存映像IO：
   这种方式在编址和前面不同，它不区分是cpu寄存器，还是存储设备或者是寄存器地址，统一使用K值。当k在0~n-1时，表示内存地址；大于等于n时，表示第0个设备控制器的第一个寄存器地址。通过确定是n的多少倍，确定是第几个设备控制器，通过余数确定是寄存器的地址。所以，在编致上面简化了很多。
   例如：sore cpu-reg,n

IO通道

有了设备控制器以后，CPU已经和设备之间简化了交互，想要获取或者写入数据的时候，通过指令集就可以完成了。并且，一个设备控制器可以控制多个设备。但是，当一个机器要控制非常多的设备的时候，CPU要和这么多的设备和设备控制器交互，显得有点笨重。CPU要花很多的时间消耗在控制设备控制器的上面。

引入通道，就是为了让一些原来由CPU处理的IO任务，现在交给通过来承担。从而把CPU从繁杂的IO任务中解脱出来。在设置了通道后，CPU只需要向通道发送一个IO指令。通过接到指令后，就从内存中取出要执行的通道程序，然后执行通道程序。仅当通道完成了规定的IO任务后，才向CPU发送中断信号。

通道就是一个简单版的CPU，只是这个CPU执行的指令简单，并且通道是没有自己的内存的，它执行的通道程序还是放在内存中的。通道和CPU共享内存的。

 

通道类型

因为外围的设备不同，有流设备，有块设备，他们的传输速度不一样， 所以对应的通道类型也有不同。目前三种类型的通道：

1. 字节多路通道：一个主通道连接几个到几百个数量不等的子通道。按照字节交叉式工作的通道。多个子通道连接一个主通道，当一个子通道完成数据交换以后，换成第二个子通道和主通道连接，进行交换数据。
2. 数组选择通道：字节多路通道不适合连接高速的设备，数据读取消耗的时候还没有切换子通道的耗时多，所以有了数组选择通道。一个通过可以连接多个高速设备，但是，这个通道在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送。当一个设备占用了该通道以后，它就一直占着，即使它没有数据传输也会占着，直到该设备的数据传输完毕以后才会释放该通道。所以，这种通道的利用率很低。
3. 数组多路通道：它有字节多路通道的多路，有数组选择通道的传输速率。所以，这种方式使用率最高。

通道中的瓶颈问题

一个通多可以连接多个设备控制器，一个设备控制又能控制多个设备，但是这种都是单向一对多映射。如果要同时获取一个通道下管理的设备的时候，由于都使用了同一个通道，所以不能同时满足。就是因为设备和内存之间的通路太少了。

于是就可以通过增加通路来解决前面的问题，一个通道可以控制多个设备控制器，一个设备控制器又可以控制多个设备，那么，反过来就是一个设备可以被多个设备控制器控制，一个设备控制器可以控制被多个通道控制，这样就实现了网结构。