io系统的组成
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
I/O系统的基本功能
1)主要功能：
1.隐藏物理设备细节，方便用户
用户使用抽象的I/O命令即可
2.实现设备无关性，方便用户
用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
3.提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
4.对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
5.确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
6.错误处理
I/O系统的层析结构和模型
层次结构：系统中的设备管理模块分为若干层次
层次间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。
I/O软件系统的层次
.中断处理程序：处于IO系统的底层，直接与硬件交互
.设备驱动程序：
?处于底层，是进程和控制器之间的通信程序
?功能：将上层发来的抽象IO请求，转化为IO设备的具体命令和参数，并把它装入寄存器中
.设备独立性软件
I/O系统接口：块设备接口，流设备接口，网络通信接口
设备控制器
设备并不直接与CPU通信
计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
常作成接口卡插入计算机
可编址，不同类：控制一个设备时只有一个地址，若连接多个设备则含有多个设备地址；管理的复杂性因设备而异，分为字符设备控制器、块控制器
基本功能
1.接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
2.标识和报告设备的状态（状态寄存器）
3.数据交换（数据寄存器）
4.地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
5.数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
6.差错控制
I/O逻辑
通过一组控制线与处理机交互
cpu要启动一个设备时，将启动命令发送给控制器；
同时通过地址线把地址发送给控制器
控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。
实现CPU与设备控制器之间的通信（共有三类信号线）
数据线：数据线通常与寄存器相连（数据寄存器，控制/状态寄存器）
地址线
控制线
I/O通道
当设置通道后，CPU只需要向通道发送一条I/O指令即可不在干预后续操作，通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。
主要目的：
建立更独立（数据传送的独立，I/O操作的组织、管理及结束也尽量独立）的I/O操作，解放CPU。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机（指令类型单一，只用于I/O操作，通道没有内存，他与CPU共享内存）
通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为：
字节多路通道。数组选择通道。数组多路通道
瓶颈问题：由于通道价格昂贵，致使数量较少使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降
字节多路通道
一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器
多个设备，通过非分配型子通道以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据。
设备控制器的设备控制器的基本功能
?设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送。外围设备和内存的输入/输出控制方式有4种，即本文的内容。
?在介绍I/O控制方式前，先需要了解I/O控制器。
?I/O设备是由机械部件和电子部件组成的。
?CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的中介，用于实现CPU对设备的控制。
?这个电子部件就是 I/O控制器 ，又称 设备控制器 。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制机械部件。
?I/O控制器需要提供的功能
?I/O控制器由以下三个部分组成： CPU与控制器的接口、I/O逻辑、控制器与设备的接口。
?以一个输出的例子说明，如果CPU想通过设备输出一个数据，首先CPU控制线向IO逻辑发出一个输出的指令，同时在地址线上说明自己要操作哪个设备，并把要输出的数据存放在数据寄存器中（如果指令中带有参数，那么参数就会存放在控制寄存器中），I/O逻辑接收命令并识别了CPU的指令，找到相应的设备，并得根据该设备的状态寄存器判断当前设备的状态，如果当前设备是空闲的，那么I/O逻辑将数据寄存器中的值取出，通过设备与控制器的接口将数据输出外部设备上。
这里总结一下各个寄存器的作用：
?以完成一次读操作为例
?程序直接控制的流程：
?程序直接控制方式分析
?对于程序直接控制方式CPU利用率低的问题，引入了中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可 将等待I/O的进程阻塞 ，先切换到别的进程执行，但I/O完成之后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU会在每个指令周期的末尾检查中断，当CPU 检测到中断信号后 ，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。当处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送的CPU寄存器，再写入主存。接着， CPU恢复等待I/O的进程（或者其他进程）的运行环境，然后继续执行 。
?中断驱动方式分析：
?与“中断驱动方式”相比，DMA（Direct Memory Access， 直接存储器存取 。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进：
?DMA控制器组成： 主机（CPU）—控制块的接口、I/O控制逻辑、块设备—控制器接口。
?DMA方式过程：首先CPU给I/O模块一个的指令，CPU指明此次要进行的操作（如读操作），并说明要读入多少数据、数据存放在内存什么地方，以及数据在外部设备上的地址等，之后CPU就可以去做其他事了。
?接下来DMA控制器就可以根据CPU的命令参数来完成指令一系列的读工作，DMA控制器从磁盘的指定位置读取一个 字 （DMA一次读取的也是一个字），然后存储在DR中，再从DR写入到CPU指定的内存位置中，当一个（多个）块的数据读完后，DMA控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后会处理这个中断。
?DMA方式分析：
?通道：一种硬件，可以把通道理解为一种“低配版的CPU”。通道可以识别并执行一系列 通道指令。
?通道方式过程：当CPU要完成一组相关的读（或写）操作及相关控制时，只需向I/O通道发送一条I/O指令，以给出其所要指向的通过程序的首地址和要访问的I/O设备，之后CPU就可以去执行其他操作了。
?通道在接收到该指令后，根据通道程序首地址来找到通道程序在内存中的位置并执行通道程序，当通道完成通道程序完成数据传送后就会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后会处理这个中断。
?通道方式中，读/写入多少数据，数据存放的位置都是通道控制的。通道控制方式通俗来说就是CPU告诉通道去执行一个任务，CPU把任务的清单已经放在内存中，具体的任务并不是CPU告诉通道的，而是直接读取通道程序中的内容知道的。
?通道控制方式分析：
控制器的作用是控制和协调整个计算机的动作?控制通常需要程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）、定时与控制电路?以及脉冲源、中断等共同完成。控制器由:指令寄存器Instruction Register、指令译码器Instruction Decoder、定时与控制电路Programmable Logic Array、程序计数器Program Counter、标志寄存器Flags Register、堆栈和堆栈指针Stack Pointer、寄存器组等构成。 在设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。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；另一方面又同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行控制。
