摘要
- 裝置控制器
- IO控制方式
- 裝置驅動程式
- 儲存系統IO分層
裝置控制器
為什麼需要裝置控制器？
電腦可以外接很多裝置，如鍵盤、滑鼠、硬碟、顯示器、網絡卡等，每個裝置的用法和功能不同，作業系統為了對這些輸入輸出裝置進行統一管理，必須要遮蔽裝置之間的差異，因此需要裝置控制器。
裝置控制器的特點？
- 裝置控制器必須要清楚的知道裝置的用法和功能，這樣CPU可以透過和裝置控制器互動來控制裝置。
- 裝置暫存器裡面含有晶片，可以執行自己的邏輯
- 裝置暫存器裡面有暫存器，用來與CPU進行通訊
裝置控制器中暫存器的作用？
- 透過寫入暫存器，作業系統可以讓裝置傳送資料、接收資料、開啟或關閉，或者執行某些其他操作
- 透過讀取暫存器，作業系統可以瞭解裝置的狀態，是否準備好接收一個新的指令等
裝置控制器中暫存器的種類有哪些？
- 資料暫存器：CPU向IO裝置寫入需要傳輸的資料
- 命令暫存器：CPU傳送一個命令，告訴IO裝置要進行輸入輸出操作，於是就會交給IO裝置去工作，任務完成以後，會把狀態暫存器裡面的狀態標記為已完成。
- 狀態暫存器：目的是告訴CPU，現在的工作已完成或者在進行中，如果是在進行中狀態，CPU再發送資料和指令過來都是無用的，直到工作完成，狀態暫存器修改為已完成，CPU傳送的資料和指令才能被處理
輸入輸出裝置大體分為哪幾類？
- 塊裝置：把資料儲存在固定的塊中，每個塊都有自己的地址，比如磁碟、USB都是常見的塊裝置
- 字元裝置：以字元為單位傳送或接收一個字元流，字元裝置不可定址，沒有尋道操作，比如滑鼠
裝置控制器中資料緩衝區的作用？
塊裝置傳輸的資料量往往比較大，為了減少對裝置的頻繁操作，需要藉助資料緩衝區：
- CPU寫入資料到控制器的緩衝區，等積累到一定的量時，再發送給裝置
- CPU從控制器的緩衝區讀入資料時，也需要等緩衝區積累到一定的量時，才複製到記憶體
CPU和裝置控制器的通訊方式有哪幾種？
- 埠IO：每個控制暫存器被分配一個IO埠，可以透過特殊的彙編指令操作這些暫存器，比如in/out類的指令
- 記憶體對映IO：將所有的控制暫存器對映到記憶體空間，這樣可以像讀寫記憶體一樣讀寫資料緩衝區
IO控制方式
裝置控制器讀取完資料後，如何通知CPU？
- CPU自己輪詢
- 中斷
- DMA控制器
CPU自己輪詢的缺點？
CPU需要一直查詢控制器中暫存器的狀態，直到暫存器的狀態變為已完成，這種方式會佔用大量的CPU時間
中斷的缺點？
中斷雖然能解決輪詢的缺點，但對於頻繁讀寫磁碟並不友好，因為這樣CPU會經常性被打斷，佔用了大量的CPU時間。
什麼是DMA？
DMA可以使得裝置在CPU不參與的情況下，能夠自行將IO資料放入記憶體，實現DMA必須要有DMA控制器硬體的支援。
DMA控制器的工作方式？
- CPU對DMA控制器下發指令，告訴它需要讀取多少資料，讀取的資料放在記憶體的哪個位置
- DMA控制器向磁碟控制器下發指令，通知磁碟控制器讀取資料到其內部緩衝區域
- 接著磁碟控制器將緩衝區域的資料傳輸到記憶體
- 傳輸操作完成以後，磁碟控制器在總線上傳送一個確認成功的訊號到DMA控制器
- DMA控制器收到訊號以後，傳送中斷通知給CPU，CPU就可以利用記憶體中的資料了
裝置驅動程式
為什麼需要裝置驅動程式？
裝置控制器雖然遮蔽了裝置的細節，但每種裝置控制器的暫存器、緩衝區等的使用模式不同，因此引入了裝置驅動程式遮蔽裝置控制器的差異。
裝置控制器屬於硬體範疇，但裝置驅動程式屬於作業系統的一部分。作業系統的核心程式碼可以像本地呼叫一樣使用驅動程式的介面。
驅動程式處理中斷
裝置控制器在完成任務以後，會發出中斷訊號，此時CPU收到中斷指令以後，往往會對中斷進行響應，而響應的處理函式往往在驅動程式中，因此驅動程式初始化的時候，要先註冊一個該裝置的中斷處理函式。
中斷處理流程
- 裝置控制器準備好資料時，會透過中斷控制器向CPU發出中斷請求
- CPU響應中斷請求，儲存當前程序的上下文資訊
- 轉入響應的中斷函式處理函式
- 進行中斷處理
- 中斷處理完成以後，恢復被中斷程序的上下文
儲存系統IO分層
Linux的儲存系統的IO由上到下可以分為三個層次，分別是：
- 檔案系統層
- 通用塊層
- 裝置層
- 檔案系統層：包括虛擬檔案系統和其他檔案系統的具體實現，向上為應用程式統一提供了標準的檔案訪問介面，向下會透過通用塊層來儲存和管理磁碟資料
- 通用塊層：包括塊裝置的IO佇列和IO排程器，它對檔案系統的IO請求進行排隊，再透過IO排程器，選擇一個IO發給下層的裝置層
- 裝置層：包括硬體裝置、裝置控制器和驅動程式，負責物理裝置的IO
