鲁达 摘要
- 设备控制器
- IO控制方式
- 设备驱动程序
- 存储系统IO分层
设备控制器
为什么需要设备控制器？
电脑可以外接很多设备，如键盘、鼠标、硬盘、显示器、网卡等，每个设备的用法和功能不同，操作系统为了对这些输入输出设备进行统一管理，必须要屏蔽设备之间的差异，因此需要设备控制器。
设备控制器的特点？
- 设备控制器必须要清楚的知道设备的用法和功能，这样CPU可以通过和设备控制器交互来控制设备。
- 设备寄存器里面含有芯片，可以执行自己的逻辑
- 设备寄存器里面有寄存器，用来与CPU进行通信
设备控制器中寄存器的作用？
- 通过写入寄存器，操作系统可以让设备发送数据、接收数据、开启或关闭，或者执行某些其他操作
- 通过读取寄存器，操作系统可以了解设备的状态，是否准备好接收一个新的指令等
设备控制器中寄存器的种类有哪些？
- 数据寄存器：CPU向IO设备写入需要传输的数据
- 命令寄存器：CPU发送一个命令，告诉IO设备要进行输入输出操作，于是就会交给IO设备去工作，任务完成以后，会把状态寄存器里面的状态标记为已完成。
- 状态寄存器：目的是告诉CPU，现在的工作已完成或者在进行中，如果是在进行中状态，CPU再发送数据和指令过来都是无用的，直到工作完成，状态寄存器修改为已完成，CPU发送的数据和指令才能被处理
输入输出设备大体分为哪几类？
- 块设备：把数据存储在固定的块中，每个块都有自己的地址，比如磁盘、USB都是常见的块设备
- 字符设备：以字符为单位发送或接收一个字符流，字符设备不可寻址，没有寻道操作，比如鼠标
设备控制器中数据缓冲区的作用？
块设备传输的数据量往往比较大，为了减少对设备的频繁操作，需要借助数据缓冲区：
- CPU写入数据到控制器的缓冲区，等积累到一定的量时，再发送给设备
- CPU从控制器的缓冲区读入数据时，也需要等缓冲区积累到一定的量时，才拷贝到内存
CPU和设备控制器的通信方式有哪几种？
- 端口IO：每个控制寄存器被分配一个IO端口，可以通过特殊的汇编指令操作这些寄存器，比如in/out类的指令
- 内存映射IO：将所有的控制寄存器映射到内存空间，这样可以像读写内存一样读写数据缓冲区
IO控制方式
设备控制器读取完数据后，如何通知CPU？
- CPU自己轮询
- 中断
- DMA控制器
CPU自己轮询的缺点？
CPU需要一直查询控制器中寄存器的状态，直到寄存器的状态变为已完成，这种方式会占用大量的CPU时间
中断的缺点？
中断虽然能解决轮询的缺点，但对于频繁读写磁盘并不友好，因为这样CPU会经常性被打断，占用了大量的CPU时间。
什么是DMA？
DMA可以使得设备在CPU不参与的情况下，能够自行将IO数据放入内存，实现DMA必须要有DMA控制器硬件的支持。
DMA控制器的工作方式？
- CPU对DMA控制器下发指令，告诉它需要读取多少数据，读取的数据放在内存的哪个位置
- DMA控制器向磁盘控制器下发指令，通知磁盘控制器读取数据到其内部缓冲区域
- 接着磁盘控制器将缓冲区域的数据传输到内存
- 传输操作完成以后，磁盘控制器在总线上发送一个确认成功的信号到DMA控制器
- DMA控制器收到信号以后，发送中断通知给CPU，CPU就可以利用内存中的数据了
设备驱动程序
为什么需要设备驱动程序？
设备控制器虽然屏蔽了设备的细节，但每种设备控制器的寄存器、缓冲区等的使用模式不同，因此引入了设备驱动程序屏蔽设备控制器的差异。
设备控制器属于硬件范畴，但设备驱动程序属于操作系统的一部分。操作系统的内核代码可以像本地调用一样使用驱动程序的接口。
驱动程序处理中断
设备控制器在完成任务以后，会发出中断信号，此时CPU收到中断指令以后，往往会对中断进行响应，而响应的处理函数往往在驱动程序中，因此驱动程序初始化的时候，要先注册一个该设备的中断处理函数。
中断处理流程
- 设备控制器准备好数据时，会通过中断控制器向CPU发出中断请求
- CPU响应中断请求，保存当前进程的上下文信息
- 转入响应的中断函数处理函数
- 进行中断处理
- 中断处理完成以后，恢复被中断进程的上下文
存储系统IO分层
Linux的存储系统的IO由上到下可以分为三个层次，分别是：
- 文件系统层
- 通用块层
- 设备层
- 文件系统层：包括虚拟文件系统和其他文件系统的具体实现，向上为应用程序统一提供了标准的文件访问接口，向下会通过通用块层来存储和管理磁盘数据
- 通用块层：包括块设备的IO队列和IO调度器，它对文件系统的IO请求进行排队，再通过IO调度器，选择一个IO发给下层的设备层
- 设备层：包括硬件设备、设备控制器和驱动程序，负责物理设备的IO