I/O设备 | Uonlra‘s Blog

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系统架构

在如下计算机架构中，CPU通过某种内存总线（memory bus）或互连电缆连接到系统内存。更下面是外围总线（peripheral bus）。它们将最慢的设备连接到系统包括磁盘、鼠标及其他类似设备。

这样的分层架构物理布局合理且造价成本低。越快的总线越短，因此高性能的内存总线没有足够的空间连接太多的设备。采用这种分层的方式，可以让要求高性能的设备离CPU更近一些，低性能设备离CPU远一些。

标准设备

标志设备不是真实存在的，它是包含两个重要组件的设备。第一部分是向系统其他部分展现的硬件接口（interface）。第二部分是它的内部结构（internal structure)。包含设备相关定点特定实现，负责具体实现宿舍吧展示给系统的抽象接口。

标准协议

一个简化的设备接口包括3个寄存器：一个状态（state）寄存器，可以读取并查看设备的当前状态；一个命令（command）寄存器，用于通知设备执行某个具体任务；一个任务寄存器，将数据传给设备或从设备接收数据。

操作系统与该设备交互协议如下：

该协议分为四部：

OS 反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接受命令的状态。称为轮询（polling）设备。

OS 下发数据到数据寄存器。

OS 将命令写入命令寄存器

OS 再次通过不断轮询寄存器，等待并判断设备是否执行完成命令。

这个协议的轮询过程比较低效，在等待设备执行完成命令时浪费大量 CPU 时间，如果此时操作系统可以切换执行下一个就绪进程，就可以大大提高 CPU 的利用率。

利用中断减少CPU开销

有了中断后，CPU不需要不断轮询设备，而是向设备发出一个请求，然后就可以让对应进程睡眠，切换执行其他任务。当设备完成了自身操作，会抛出一个硬件中断，引发 CPU 跳转执行操作系统预先定义好的中断服务例程（Interrupt Service Routine，ISR），或更为简单的中断处理程序（interrupt handler）。中断处理程序会结束之前的请求并且唤醒等待 I/O的进程继续执行。

中断允许计算与 I/O 重叠（overlap），这是提高CPU利用率的关键。