Lecture 14 IO System（IO系统）

1 I/O硬件

1.1 硬件概念

1. BUS
   总线：⼀组线路和通过线路传输信息的⼀个协议。有两种：

• 并⾏：Multiple Lane
• 串⾏：Single Lane

任何⼀个微处理器都要与⼀定数量的部件或外围设备连接，但如果将各部件和每⼀个外围设备分别⽤
⼀组线路与CPU直接连接，那么连线会错综复杂，甚⾄难以实现。为了简化硬件电路设计、简化系统
结构，常⽤⼀组线路，配置以适当的接⼝电路，与各部件和外围设备连接，这组共⽤的连接线路被称
为总线。
从⼴义上说，计算机通信⽅式分为并⾏通信和串⾏通信，相应的通信总线被称为并⾏总线和串⾏总
线。并⾏通信速度快，实时性好，但是由于占⽤的⼝线多，不适合⼩型化产品；⽽串⾏通信效率虽
低，但在数据通信吞吐量不是很⼤的微处理电路中显得更加简易、⽅便、灵活。

2. PERIPHERALS COMPONENT INTERCONNECT

PCI总线（Peripheral Component Interconnect，外部设备互联）由Intel公司提出，
其主要功能是连接外部设备；

北桥，南桥是主板上芯⽚组中最重要的两块，它们都是总线控制器。南桥主要是负责IO，北桥⽤于
CPU和内存、显卡、PCI交换数据。

随着集成技术的不断发展，北桥被继承到了CPU⾥⾯，那么南桥要承担⼀部分北桥的功能，然后合成
到了 Platform Controller Hub

3. 设备类型

• 块设备（block device）
  ◦ 存取单位是⼀个block
  ◦ 如磁盘、磁带、DVD等
• 字符设备（character device）
  ◦ 存取单位是⼀个字符
  ◦ 如显⽰器、键盘、⿏标等
  

1.2 CONTROLLER

◦ 控制器是可以操作端⼝、总线或设备的电⼦设备的集合。
◦ 串⾏端⼝控制器是⼀个简单的设备控制器。 它是计算机中的单个芯⽚（或芯⽚的⼀部分），⽤
于控制串⾏端⼝线路上的信号
◦ SCSI 总线控制器并不简单，因为 SCSI 协议很复杂。 它通常包含⼀个处理器、微码和⼀些私有
内存，以使其能够处理 SCSI 协议消息
◦ 有些设备有⾃⼰的内置控制器。 您将看到连接到磁盘驱动器⼀侧的电路板。 该板是磁盘控制
器。 它为某种连接实现协议的磁盘端⸺例如 SCSI 或串⾏⾼级技术附件 (SATA)。 它有微码和处
理器来执⾏许多任务，例如坏扇区映射、预取、缓冲和缓存。

cpu⽆法直接控制io设备的机械部件，因此io设备还要⼀个电⼦部件作为cpu和io设备机械部件之间
通信的桥梁，⽤于实现cpu对设备的控制。我们就称这个部件为
io控制器。
如何对控制器分布命令



•控制器有⼀个或多个⽤于数据和控制信号的寄存器。CPU通过读写这些寄存器来控制通信。
◦ 控制寄存器：可以被主机发布命令或改变设备状态
◦ 状态寄存器：包含⼀些主机可读的位信息
◦ 数据寄存器：记录主机可读或写⼊的数据
I/O地址

•I/O地址：控制寄存器地址 •编址⽅式
◦ I/O独⽴编址：使⽤独⽴的I/O指令，如IN、OUT；



◦ 内存映射编址：划出⼀块内存地址，将I/O的端⼝地址映射进来，这样就
可以使⽤访问内存指令对控制寄器进⾏读写

2 I/O控制⽅式

2.1 轮询

步骤
◦ 重复测试busy位，直到清零；
◦ 设置控制寄存器为write操作，并将要写⼊的字节X存⼊数据寄存器；
◦ 设置ready位
◦ 若ready位为1，则设置busy位
◦ 执⾏write命令，将字节X写⼊设备
◦ 清除ready位和busy位

3 内核I/O结构

内核I/O结构包括I/O硬件和I/O软件两个部分，I/O软件的设计⽬标主要体现在：
•⾼效率（efficiency）：通过⼀些⼿段提⾼I/O设备的访问效率。
•通⽤性（generality）：屏蔽硬件细节，让⽤⼾使⽤统⼀的接⼝⽅便地使⽤不同的硬件

3.1 设备驱动层

设备驱动层通过隐藏设备控制器之间的差异，使 I/O ⼦系统独⽴于硬件我们结合IO结构图看，不同的IO设备有不同的驱动，⽐如⿏标有⿏标的驱动，磁盘有磁盘的驱动，我们的I/O⼦系统要去调⽤这些驱动完成相应的IO事件。就可以使得IO⼦系统独⽴于硬件。我们⽤⼾不关系怎么调⽤驱动去运⾏设备，只要想⽤⼾暴露⼀个接⼝就⾏。不同的硬件⼚商根据OS系统规定的设备驱动层协议去进⾏设计，就可以使得让OS驱动调⽤控制器

3.2 内核I/O⼦系统

◦ ⼀些服务⸺调度、缓冲、缓存、假脱机、设备保留和错误处理⸺由内核的 I/O ⼦系统提供，
并建⽴在硬件和设备驱动程序基础设施之上。
◦ I/O ⼦系统还负责保护⾃⼰免受错误进程和恶意⽤⼾的侵害。

3.3 I/O请求⽣命周