I/O设备

• CPU通过某种内存总线(memory bus) 或互联电缆连接到系统内存
• 图形设备、GPU或者其他高性能I/O设备通过常规的I/O总线(I/O bus)连接到系统
• 更下层的外围总线(peripheral bus) 将更慢的设备连接到系统，例如磁盘、鼠标或其他类似设备

• 接口(interface)

  • 像软件一样，硬件也需要提供接口来让系统软件控制它。设备都有自己的特定接口以及典型交互协议
  • 其中包含3个寄存器：
    • 状态(status)寄存器：用于读取并查看设备的当前状态
    • 命令(command)寄存器：用于通知设备执行某个具体任务
    • 数据(data)寄存器：用于将数据传给设备或从设备接收数据

• 内部(internal structure)

  • 包含设备相关的特定实现，负责将设备展现给外部的复杂接口（服务）实现出来
  • 简单的设备通常会用若干个芯片来实现其功能
  • 复杂的设备可能会需要简单的CPU、一些通用内存、设别相关的特定芯片来完成其工作，例如现代RAID控制器会包含成百上千行固件(firmware)（即硬件设备中的软件）

1. 操作系统通过反复读取状态寄存器，等待设备进入可以接受命令的就绪状态。这个操作被称为轮询(polling) 设备
2. 操作系统下发数据到数据寄存器
3. 操作系统将命令写入命令寄存器，这样设备就知道数据和命令都已经准备好了，要开始执行命令了
4. 操作系统又开始不断地轮询设备，等待设备完成指令（指令可能成功完成也可能失败）

中断减少CPU开销

• 有了中断(interrupt)，操作系统不需要再轮询设备，而是向设备发出一个请求后，让对应进程睡眠，然后自己就可以切换执行其他进程了
• 当设备完成命令，就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(ISR, Interrupt Service Routine)，或者更简单的中断处理程序(Interrupt handler)，它们是一段操作系统代码，会结束之前的请求（例如从设备接收到了结果数据或错误码） 并唤醒等待I/O的进程继续执行
• 由此，中断允许计算与I/O重叠(overlap)，这是提高CPU利用率的关键

中断的局限

• 中断并不总是好用，假设有一个性能极高的设备，在接收命令后的几乎一瞬间就可以完成请求，此时如果使用中断，反而会使系统变慢，毕竟这代表着切换到其他进程再切换回来
• 可以采用混合(hybrid) 策略，即在给设备发送请求后先轮询一小段时间，如果设备没有完成请求再执行中断
• 在网络中也不适合使用中断，因为网络端会接收大量数据包，如果每一次数据包都会引发一次中断，那么就有可能导致操作系统发生活锁，即一直处理中断而无法处理用户层的请求
• 另一个优化方法是合并(coalescing)，即设备在抛出中断前先等一小段时间，在此期间，其他请求可能很快可以完成，这样就可以将多次请求结果合并为一次中断

1. 操作系统会告诉DMA引擎目标数据在内存中的位置、要拷贝的大小以及要拷贝到哪个设备，然后操作系统就可以处理其他任务了
2. 当DMA的任务完成后，DMA控制器会抛出一个中断来告诉操作系统自己已经完成了数据传输
3. 后来的步骤就和PIO一样，当设备完成了请求后，操作系统就会过来获取结果

• 操作系统通过特权指令(privileged) 来和设备交互，且操作系统是唯一可以与设备直接交互的实体
• 通过内存映射I/O(memory-mapped I/O) 来交互。通过这种方式，硬件将设备寄存器作为内存地址提供。当需要访问设备寄存器时，操作系统直接装载（读取）/存入（写入）该内存地址，然后硬件会将数据装载/存入到设备上，而不是物理内存