操作系統(tǒng)訪問IO設(shè)備的過程，經(jīng)歷過很多個層次，就像網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議一樣，每一層干每一層的事情，每一層又向上層提供接口，操作系統(tǒng)訪問IO設(shè)備的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示：

IO結(jié)構(gòu)層次

因此，本篇文章分為5個部分，逐步闡述操作系統(tǒng)訪問IO設(shè)備的過程

1. IO設(shè)備分類
2. 設(shè)備控制器
3. 設(shè)備驅(qū)動程序
4. 內(nèi)核IO子系統(tǒng)
5. 操作系統(tǒng)控制IO設(shè)備的流程舉例

IO設(shè)備分類:

IO設(shè)備大致分為塊設(shè)備,字符設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,定時器等，本篇文章主要關(guān)注的是塊設(shè)備，字符設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這些設(shè)備是我們程序開發(fā)中經(jīng)常涉及的部分。

塊設(shè)備:

塊設(shè)備將數(shù)據(jù)分隔成多個固定大小的塊進行存儲，塊是數(shù)據(jù)存儲的最小單位，每個塊的大小可以為512字節(jié)-65536字節(jié)，每個塊都有唯一的地址，因此塊設(shè)備是可以尋址的，每次讀寫塊設(shè)備的數(shù)據(jù)時，都是以塊為最小單位讀取或者寫入連續(xù)的多個塊。

例如磁盤就是塊設(shè)備，它的塊大小通常是512個字節(jié)等于磁盤的一個扇區(qū)的大小，因此一個扇區(qū)就是一個塊，磁盤的數(shù)據(jù)是由很多個扇區(qū)構(gòu)成。

通常塊設(shè)備可以順序訪問或者隨機訪問，應(yīng)用程序訪問塊設(shè)備時，通常不是直接訪問的，而是通過文件系統(tǒng)，文件系統(tǒng)對塊設(shè)備進行統(tǒng)一管理，將塊設(shè)備的各類細節(jié)封裝起來，文件系統(tǒng)管理的是邏輯設(shè)備即文件，文件系統(tǒng)統(tǒng)一提供read,write,seek等接口間接訪問塊設(shè)備，文件系統(tǒng)將文件名和塊設(shè)備的每一個塊之間的映射關(guān)系隱藏起來，因此塊設(shè)備對于應(yīng)用程序來說是透明。

當(dāng)然有些特殊的應(yīng)用程序例如數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)可以直接訪問塊設(shè)備，對塊設(shè)備的每個塊采用專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行管理，以達到最佳的讀寫效率，這些專用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有B+樹,LSVM樹等，這些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都有各自的應(yīng)用場景。

字符設(shè)備:

字符設(shè)備是不可以存儲和不可以尋址的，字符設(shè)備每次讀入或者寫入一個字符，常見的字符設(shè)備包括鼠標，鍵盤，打印機等,操作系統(tǒng)通常會提供一些get或者put的方法來讀取或者寫入一個字節(jié)，通常會有標準庫對操作系統(tǒng)提供的get或者put方法進行封裝，例如增加了字符緩沖，支持字符流讀寫，支持按行讀，按行寫，編輯緩沖數(shù)據(jù)等。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通常用于發(fā)送或者接受網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，這些網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通常是網(wǎng)絡(luò)包的形式，不同于塊設(shè)備,操作系統(tǒng)會提供專門的網(wǎng)絡(luò)接口進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受,網(wǎng)絡(luò)接口通常就是Socket。

Socket實現(xiàn)了傳輸層的協(xié)議，它就像一個電源插座，任何電器都可以插入電源插座，一旦插入電源插座就可以通電，因此應(yīng)用程序也可以用創(chuàng)建一個Socket,Socket分為服務(wù)端Socket和客戶端Socket,服務(wù)端Socket啟動后，會一直監(jiān)聽來自客戶端Socket的來電，一旦接到來電就可以轉(zhuǎn)給一個接線員,這個接線員也是一個Socket，由它來負責(zé)與客戶端Socket的通信。

Socket通常支持BIO，NIO，AIO幾種模式，不同的操作系統(tǒng)支持的模式不同，通常都支持BIO和NIO，根據(jù)不同的應(yīng)用場景可以選擇不同的模式，沒有絕對可言。

定時器:

定時器通常分為硬定時器和軟定時器。

硬定時器：

硬定時器通常是由晶體震蕩器,計數(shù)器和存儲寄存器組成,當(dāng)把一塊石英晶體適當(dāng)?shù)厍懈詈?，并在它上加上一定的電壓后，它就可以非常精確地產(chǎn)生周期性的時鐘信號，這些信號的頻率可以是幾百赫茲,幾千赫茲等,這個頻率值跟所選的晶體類型有關(guān)。

硬定時器的基本原理是這樣的：

每個定時器會在存儲寄存器設(shè)置一個計數(shù)值，每次定時器啟動時，將這個計數(shù)值設(shè)置到計數(shù)器中，每次晶體震蕩后，產(chǎn)生一個時鐘信號，該信號被送入到計數(shù)器，計數(shù)器就減1，直到計數(shù)器變?yōu)?，那就表示定時器觸發(fā)了，它會給CPU發(fā)送一個時鐘中斷，CPU接收到這個中斷后會進入時鐘處理程序。

時鐘處理程序會進行一些防止進程時間片超時，進程CPU使用情況記賬，維護計算機時間，計算機硬件監(jiān)控，進程性能數(shù)據(jù)剖析等工作。

硬件定時器可以分為一次性定時器和永久性定時器，一次性定時器表示定時器觸發(fā)后后，就自動停止了，永久性定時器則每次定時器觸發(fā)后，會將存儲寄存器中的計數(shù)值重新賦值給計數(shù)器，然后重新啟動定時器，一直運行，直到計算機關(guān)閉。

軟定時器：

有些高性能的工作需要高頻率地執(zhí)行，例如一個高性能的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)帶寬為千兆級別以上，為了保證高效率地輸出，每隔12us就要發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，如果采用硬定時器，每隔12us產(chǎn)生中斷后，會進行一系列的處理，包括進程上下文，流水線，高速緩沖,TLB，MMU等重新切換等，這一繁雜的切換工作需要的時間可能已經(jīng)接近12us,那么這就意味著從中斷開始到真正開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，會經(jīng)過一段時間，這個時間對于一個高性能的網(wǎng)絡(luò)來說是不能容忍的，因此這種場景可以采用軟定時器，軟定時器不需要中斷，每次發(fā)送數(shù)據(jù)包時，會根據(jù)硬定時器+12us設(shè)置一個超時時間，每次發(fā)送完數(shù)據(jù)包切換到用戶態(tài)后，用戶程序檢查這個超時時間是不是已經(jīng)過期了，如果過期了就立即發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，對于這類高性能的場景，軟定時器比較合適，當(dāng)然如果沒有要求那么高的性能要求的話，一般的硬定時器中斷足夠應(yīng)付了。

設(shè)備控制器:

操作系統(tǒng)是不直接操作IO設(shè)備，常常是通過設(shè)備控制器間接訪問IO設(shè)備，可以說設(shè)備控制器是CPU與IO設(shè)備的橋梁，設(shè)備控制器可以連接單個設(shè)備，也可以同時連接多個設(shè)備，如果連接多個設(shè)備，設(shè)備控制器和設(shè)備之間需要增加一個仲裁設(shè)備，這個仲裁設(shè)備負責(zé)仲裁設(shè)備控制器要和那個IO設(shè)備進行交互。

設(shè)備控制器負責(zé)的工作如下：

• 負責(zé)控制IO設(shè)備，例如設(shè)備的讀，寫，打開，關(guān)閉等。
• 協(xié)調(diào)CPU和IO設(shè)備速度讀寫速度的不匹配，例如設(shè)備控制器增加數(shù)據(jù)緩沖。
• CPU和IO設(shè)備數(shù)據(jù)信號的轉(zhuǎn)換。
• CPu時鐘頻率和IO設(shè)備時鐘頻率的協(xié)調(diào)和同步。
• IO端口地址的譯碼，例如翻譯IO端口地址到具體的設(shè)備寄存器。

設(shè)備控制器提供了4種寄存器即狀態(tài)寄存器，數(shù)據(jù)輸入寄存器，數(shù)據(jù)輸出寄存器，控制寄存器，操作系統(tǒng)和設(shè)備控制器之間的交互就是通過這些設(shè)備寄存器，因此它們的交互方式類似于生產(chǎn)者和消費者的關(guān)系。

數(shù)據(jù)輸出寄存器:

操作系統(tǒng)可以將CPU寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)輸出寄存器，設(shè)備控制器得知數(shù)據(jù)輸出寄存器有數(shù)據(jù)后，就將數(shù)據(jù)輸出寄存器的數(shù)據(jù)發(fā)送給IO設(shè)備。

數(shù)據(jù)輸入寄存器:

設(shè)備控制器讀入IO設(shè)備的數(shù)據(jù)后，存儲在數(shù)據(jù)輸入寄存器，然后操作系統(tǒng)讀取數(shù)據(jù)輸入寄存器的數(shù)據(jù)到CPU寄存器中。

狀態(tài)寄存器：

存儲設(shè)備相關(guān)的狀態(tài)，例如設(shè)備是否已經(jīng)就緒，數(shù)據(jù)輸入寄存器是不是有數(shù)據(jù)了等，操作系統(tǒng)可以讀取該寄存器的值來查看設(shè)備的各類狀態(tài)。

控制寄存器：

操作系統(tǒng)可以寫入控制寄存器從而告知設(shè)備控制器執(zhí)行什么IO操作。

另外，為了協(xié)調(diào)CPU和IO設(shè)備的讀寫速度差異，設(shè)備控制器通常有數(shù)據(jù)緩沖，用于緩沖從設(shè)備讀入的數(shù)據(jù)，或者從操作系統(tǒng)寫入的數(shù)據(jù)，例如操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)輸出寄存器后，設(shè)備控制器將數(shù)據(jù)輸出寄存器的數(shù)據(jù)直接寫入到數(shù)據(jù)緩沖，而不是直接發(fā)送到IO設(shè)備，這個很好理解，因為設(shè)備控制器寫入數(shù)據(jù)到IO設(shè)備的速度與CPU的發(fā)送速度相比差異太大了。

操作系統(tǒng)怎么讀寫設(shè)備寄存器呢，有兩種方式

1.IO指令

每個設(shè)備寄存器都有一個地址，它與內(nèi)存的地址不同，這個地址稱為IO端口地址，操作系統(tǒng)支持的IO端口地址有65536個即0~64K-1，IO端口地址的范圍叫做IO端口空間，內(nèi)存地址范圍叫做內(nèi)存空間，因此IO端口空間與內(nèi)存空間是獨立的。

假如CPU要讀取一個端口地址對應(yīng)設(shè)備寄存器，過程如下:

1.CPU將IO端口地址放到地址總線上，然后在控制總線上設(shè)置一個READ信號，此時只是CPU只是要表明要讀取某個地址的數(shù)據(jù)了，至于這個地址來自哪個空間，還需要下一步操作。

2.CPU設(shè)備另外一條信號線，設(shè)置信號線要訪問IO端口空間。

3.所有的設(shè)備控制器接收到該信號線后，發(fā)現(xiàn)是訪問IO端口空間，就會檢查地址總線上的地址是不是自己的寄存器的地址，總有一個設(shè)備控制器接受這個地址，不是自己的地址設(shè)備控制器直接忽略這個信號。

下面表格為PC設(shè)備中常見的設(shè)備IO端口地址分布圖

另外，CPU提供了專門的IO指令，通過IO指令發(fā)送內(nèi)容到IO端口地址或者從IO端口地址獲取內(nèi)容來實現(xiàn)設(shè)備寄存器的讀寫，

常見的IO指令有IN和OUT

IN AX,DX

DX寄存器存儲的是IO端口，該指令表示獲取IO端口指向的設(shè)備寄存器的內(nèi)容到AX寄存器。

OUT DX,AX

DX寄存器存儲的IO端口，該指令表示將AX寄存器的內(nèi)容寫入到IO端口指向的設(shè)備寄存器。

2.內(nèi)存映射IO

CPU訪問任何數(shù)據(jù)都是通過地址總線，一個32位的地址總線可以尋址的范圍是4個G，從上文知道，如果有IO端口地址空間的話，需要單獨的一個信號線表明地址線訪問的那個空間，假設(shè)該信號線訪問的是內(nèi)存空間。

這個內(nèi)存空間內(nèi)大部分地址分給了主存，還有一小部分地址落在了其它的內(nèi)存或者設(shè)備寄存器，例如圖形控制器的數(shù)據(jù)緩沖，BIOS的ROM等，通常這部分地址在地址總線范圍的低地址處，如下圖

內(nèi)存映射IO

因此通過內(nèi)存映射IO，我們不需要專門的IO指令，直接通過內(nèi)存相關(guān)的指令例如MOV,LOAD等命令就可以讀寫設(shè)備寄存器或者設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)緩沖，當(dāng)?shù)刂房偩€上寫入了地址后，主存，設(shè)備控制器，BIOS等都會檢查這個地址是不是屬于自己的范圍，如果是自己的范圍內(nèi)的地址，就會接受這個地址，并且做出響應(yīng)。

操作系統(tǒng)與設(shè)備控制器交互的方式通常有3種：

程序控制IO

程序控制IO也叫輪詢,假設(shè)CPU寫數(shù)據(jù)到IO設(shè)備，通常應(yīng)用程序會在用戶空間分配一個緩沖，用戶緩沖要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后進行系統(tǒng)調(diào)用，通過系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核會將用戶緩沖拷貝到內(nèi)核緩沖，這個內(nèi)存緩沖可以認為是一個發(fā)送數(shù)組，然后對發(fā)送數(shù)組的每個字節(jié)逐個按照以下流程寫入到IO設(shè)備，流程如下圖所示:

CPU輪詢方式會一直檢查狀態(tài)寄存器，一直到狀態(tài)寄存器不忙時，才會寫入發(fā)送數(shù)組的當(dāng)前字節(jié)到數(shù)據(jù)輸出寄存器，同時設(shè)置控制寄存器的寫位和就緒位，通知設(shè)備控制器要執(zhí)行一個寫操作而且數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好了。

設(shè)備控制器檢查到控制寄存器的就緒位已經(jīng)就緒后，會進一步檢查要執(zhí)行什么操作，發(fā)現(xiàn)寫位為1，就會從數(shù)據(jù)輸出寄存器獲取數(shù)據(jù)，寫到IO設(shè)備，完成后，就會清除控制寄存器的就緒位，忙位，故障位，這樣CPU就會繼續(xù)寫入數(shù)據(jù)了。

IO設(shè)備的寫速度與CPU相比差的十萬八千里，因此CPU大部分的時間都在檢查狀態(tài)寄存器的忙位，浪費了大量的CPU時間，這也是輪詢方式最大的缺點。

中斷驅(qū)動IO

假設(shè)CPU寫數(shù)據(jù)到IO設(shè)備，通常應(yīng)用程序會在用戶空間分配一個緩沖，用戶緩沖要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后進行系統(tǒng)調(diào)用，通過系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核會將用戶緩沖拷貝到內(nèi)核緩沖，這個內(nèi)存緩沖可以認為是一個發(fā)送數(shù)組，然后對發(fā)送數(shù)組的每個字節(jié)逐個按照以下流程寫入到IO設(shè)備，假設(shè)發(fā)送數(shù)組剩余要發(fā)送的字節(jié)數(shù)為count,如下圖所示為中斷驅(qū)動IO的流程圖

由上圖所示分為3個子流程

CPU寫入流程:

CPU寫入流程與輪詢看起來有點類似，不一樣的地方在于，用戶進程在寫入第一個數(shù)據(jù)到寄存器后，就被阻塞了，CPU此時調(diào)度其它進程運行。

設(shè)備控制器流程：

這個流程與輪詢中的設(shè)備控制器流程比較類似，不同的是，設(shè)備控制器寫數(shù)據(jù)到IO設(shè)備后，會發(fā)送一個設(shè)備中斷信號給CPU，通知CPU可以繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)了。

CPU中斷處理程序：

每次CPU執(zhí)行時，會先檢查中斷線上是不是有中斷信號，如果有中斷信號，就會去執(zhí)行中斷處理程序，對于設(shè)備的中斷處理程序，如果沒有發(fā)送的數(shù)據(jù)了，就將用戶進程加入到CPU的就緒隊列中，CPU后續(xù)會調(diào)度用戶進程，阻塞就解除了，調(diào)用就返回了，如果有發(fā)送的數(shù)據(jù)，就繼續(xù)發(fā)送到設(shè)備控制器的寄存器中。

中斷處理程序返回后，會被切換到被中斷的進程，繼續(xù)執(zhí)行。

中斷驅(qū)動IO相比輪詢來說，不需要CPU一直等IO設(shè)備寫入完成，而是可以將寫入寄存器后，直接阻塞，調(diào)度其它的進程來使用CPU，當(dāng)IO設(shè)備寫入完成后，發(fā)送中斷信號，通知CPU，CPU執(zhí)行中斷處理程序繼續(xù)寫入下一個字節(jié)，最終發(fā)送完成后，解除阻塞，這樣CPU就可以充分利用，減少了CPU的浪費。

DMA

假設(shè)CPU寫數(shù)據(jù)到IO設(shè)備，通常應(yīng)用程序會在用戶空間分配一個緩沖，用戶緩沖要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后進行系統(tǒng)調(diào)用，通過系統(tǒng)調(diào)用，內(nèi)核會將用戶緩沖拷貝到內(nèi)核緩沖，這個內(nèi)存緩沖可以認為是一個發(fā)送數(shù)組。

DMA的處理流程如下：

DMA

DMA的處理流程也可以分為3個子流程

CPU流程 ：

CPU傳輸發(fā)送數(shù)組的起始地址，發(fā)送數(shù)組的大小給DMA，此時用戶進程A就從CPU運行隊列移除，此時用戶進程A阻塞，CPU調(diào)度其它的進程運行。

DMA流程：

DMA根據(jù)發(fā)送數(shù)組的起始地址，檢查尚未發(fā)送的字節(jié)數(shù)count，如果count<0, 那么就是傳輸數(shù)據(jù)給設(shè)備寄存器，然后就等待設(shè)備控制器的應(yīng)答，如果 count=0,那么DMA發(fā)送完成了，它會給CPU發(fā)送一個中斷信號，CPU收到這個中斷信號后，會執(zhí)行DMA的中斷處理程序，將用戶進程A加入到CPU的就緒隊列，后續(xù)CPU會調(diào)度用戶進程A去運行，這個時候用戶進程A調(diào)用返回。

設(shè)備控制器流程：

設(shè)備控制器的流程與輪詢和中斷類似，只是設(shè)備控制器發(fā)送完數(shù)據(jù)后，會發(fā)送一個應(yīng)答給DMA，DMA收到這個應(yīng)答后，會將coun-1,然后調(diào)度發(fā)送下一個字節(jié)。

可以看出DMA不需要設(shè)備控制器發(fā)送中斷給CPU，它成為了CPU的代理，CPU可以專注地做其它的事情，只是DMA傳輸完成后，才會中斷一下CPU。

另外DMA每次控制設(shè)備控制器寫數(shù)據(jù)時，都會先控制住地址總線，這樣就會跟CPU搶時鐘周期，這個也是不可以避免的。

DMA控制器可以連接多個設(shè)備控制器，通過一定的算法，來切換每次控制的設(shè)備控制器，另外復(fù)雜一些的DMA控制器也可以一次控制設(shè)備控制器發(fā)送多個字節(jié)，這樣一次性占據(jù)地址總線的時間就比較長，這樣的效率也會更高，只是CPU如果此時需要用地址總線，那就需要等待一段時間了，CPU周期被浪費了。

設(shè)備驅(qū)動程序

我們上面闡述操作系統(tǒng)通過控制設(shè)備控制器來間接控制IO設(shè)備，其實就是設(shè)備驅(qū)動程序來控制設(shè)備控制器。

設(shè)備驅(qū)動程序通常位于內(nèi)核，它封裝對設(shè)備控制器操作的所有細節(jié)和差異，并且提供了標準的接口供內(nèi)核的IO子系統(tǒng)調(diào)用，這一點類似于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的分層結(jié)構(gòu)，每一層將數(shù)據(jù)封裝好后提供給上一層使用，上一層不用考慮下一層的實現(xiàn)細節(jié)。

可以說設(shè)備驅(qū)動程序?qū)⒂布虸O子系統(tǒng)調(diào)用分離開來，每一類設(shè)備都需要專門的設(shè)備驅(qū)動程序進行控制，一般這些設(shè)備驅(qū)動程序都是由設(shè)備提供商來負責(zé)編寫，通常不同的操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序都有不同的開發(fā)標準，因此只要設(shè)備提供商按照操作系統(tǒng)要求的標準開發(fā)設(shè)備驅(qū)動程序，增加任何的IO設(shè)備和控制器對于操作系統(tǒng)來說都是透明的，當(dāng)然這對操作系統(tǒng)來說好處多多，對于設(shè)備提供商來說好處不多，他們需要為各種操作系統(tǒng)系統(tǒng)編寫驅(qū)動程序，這樣才能爭取不同操作系統(tǒng)的用戶。

通常設(shè)備驅(qū)動程序不添加任何用戶策略，只負責(zé)與硬件打交道，它通常會將上層IO子系統(tǒng)發(fā)送過來的抽象的讀寫請求，轉(zhuǎn)化為實際的對硬件的IO操作，保證硬件可用并提供硬件原始數(shù)據(jù)，原始的數(shù)據(jù)交由IO子系統(tǒng)進行二次加工，IO子系統(tǒng)再根據(jù)根據(jù)各類用戶策略對原始數(shù)據(jù)進行處理。

IO子系統(tǒng)

IO子系統(tǒng)位于內(nèi)核，處于設(shè)備驅(qū)動程序的上一層，它是設(shè)備無關(guān)的，主要提供文件系統(tǒng)，IO調(diào)度，緩沖，高速緩沖,設(shè)備保護，錯誤處理等。

增加新的設(shè)備驅(qū)動程序?qū)O子系統(tǒng)沒有i影響，因為每個設(shè)備驅(qū)動程序向IO子系統(tǒng)提供標準的訪問接口。

文件系統(tǒng):

文件系統(tǒng)主要負責(zé)對塊設(shè)備進行統(tǒng)一管理，抽象出文件這個邏輯設(shè)備的概念，建立文件與塊設(shè)備的每個塊的映射關(guān)系等，文件系統(tǒng)也負責(zé)根據(jù)文件名定位到設(shè)備驅(qū)動程序和具體的某個設(shè)備，這個以后單獨寫文章闡述。

IO調(diào)度

操作系統(tǒng)為每個設(shè)備維護一個IO請求隊列，當(dāng)進程進行IO請求時，會將這些IO請求加入到這個隊列中，如果按照先進先出的方式順序訪問設(shè)備，從系統(tǒng)總體來講，并不一定是高效的，通常需要合適的IO調(diào)度算法來高效和充分地利用設(shè)備。

另外不同的IO請求有不同的優(yōu)先級，有些IO請求優(yōu)先級天生比較高，它可以獲得優(yōu)先執(zhí)行的權(quán)利，例如一個缺頁IO請求就比其它的普通應(yīng)用程序的請求更加緊急，也會有更高的優(yōu)先級。

緩沖

采用緩沖有以下幾個理由:

一：設(shè)備控制器通常有單獨的數(shù)據(jù)緩沖，應(yīng)用程序也需要有自己的緩沖，應(yīng)用程序?qū)憯?shù)據(jù)時，通常寫入到自己的緩沖，而不是直接寫到設(shè)備控制器的緩沖，這是由于IO設(shè)備處理數(shù)據(jù)較慢，設(shè)備控制器的緩沖，很容易就滿了，因此應(yīng)用程序設(shè)置自己的緩沖，這樣即使設(shè)備控制器緩沖滿了，應(yīng)用程序照樣可以寫數(shù)據(jù)，不至于阻塞，另外應(yīng)用程序設(shè)置自己的緩沖，可以靈活增加緩沖的容量，也可以設(shè)置多個緩沖，例如雙緩沖，循環(huán)緩沖等。

二.通常應(yīng)用程序自己的緩沖在用戶空間，操作系統(tǒng)可以將用戶緩沖中的數(shù)據(jù)發(fā)送到設(shè)備控制器上的數(shù)據(jù)緩沖，設(shè)備控制器再發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖的數(shù)據(jù)到設(shè)備，這樣有兩個問題，一個是：用戶空間的緩沖通常是在用戶空間的某些頁上，一旦這些頁被換出了，操作系統(tǒng)讀取這些頁的數(shù)據(jù)時發(fā)現(xiàn)頁不在就會進行缺頁處理，這個很影響效率，另外一個是:操作系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，用戶空間的緩沖被修改了，此時就造成了數(shù)據(jù)的破壞，因此通常操作系統(tǒng)會在內(nèi)核開辟一塊空間叫做內(nèi)核緩沖，應(yīng)用程序?qū)懭霐?shù)據(jù)時，先將用戶緩沖復(fù)制到內(nèi)核緩沖，內(nèi)核緩沖再寫入到設(shè)備控制器的數(shù)據(jù)緩沖，此后內(nèi)核就可以放心地發(fā)送數(shù)據(jù)了，不用擔(dān)心頁被換出或者數(shù)據(jù)被修改了，這樣的復(fù)制非常影響效率，因此有些操作系統(tǒng)會采用虛擬內(nèi)存映射和寫時復(fù)制的方式將用戶緩沖和內(nèi)核緩沖指向內(nèi)核的一塊共享緩沖，如果用戶修改了共享緩沖，會通過寫時復(fù)制的方式，拷貝修改的部分到用戶空間，不影響原來的共享緩沖。

整體來說緩沖不光是寫出的緩沖，讀入的緩沖也是同樣的道理，這里不再闡述。

高速緩存:

操作系統(tǒng)可以開辟一塊內(nèi)存，用于存儲熱點的設(shè)備數(shù)據(jù)，采用一定的緩存失效算法，剔除失效的緩存，這樣可以每次進行IO讀取操作時，則可以直接從高速緩存中獲取，不在進行任何IO操作。

有時候高速緩存和緩沖可以合二為一，例如一個寫緩沖存儲了要寫出到設(shè)備的數(shù)據(jù)，此時如果再讀取這些數(shù)據(jù)時，就可以把寫緩沖當(dāng)做高速緩沖，直接從寫緩沖讀取。

設(shè)備保護:

IO設(shè)備保護有以下幾種方式:

1.IO特權(quán)指令，IO指令通常都是特權(quán)指令，這些指令只有操作系統(tǒng)才可執(zhí)行，這樣就杜絕了應(yīng)用程序執(zhí)行IO指令，應(yīng)用程序可以通過系統(tǒng)調(diào)用進行IO操作。

2.通過內(nèi)存映射IO方式訪問設(shè)備控制器數(shù)據(jù)緩沖或者設(shè)備寄存器時，地址總線上一部分地址用于映射到設(shè)備控制器數(shù)據(jù)緩沖或者設(shè)備寄存器，這部分地址由操作系統(tǒng)的內(nèi)存保護模塊進行控制，禁止用戶空間訪問這些地址。

3.IO子系統(tǒng)中文件系統(tǒng)中所有的文件都有訪問的權(quán)限，限制文件的訪問就間接地對文件對應(yīng)的IO設(shè)備進行了保護。

錯誤處理：

IO設(shè)備產(chǎn)生的錯誤往往比較多而且雜,當(dāng)錯誤發(fā)生時,IO子系統(tǒng)會盡最大努力對這些錯誤進行處理,許多IO錯誤與特定的設(shè)備有關(guān)，這類的錯誤只能交由設(shè)備驅(qū)動程序去處理，但IO子系統(tǒng)有個錯誤處理的流程，按照這個流程進行處理是通用的和設(shè)備無關(guān)的，以下為錯誤處理框架中的幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)的處理過程。

一:一些IO類的錯誤是編程導(dǎo)致的，比如應(yīng)用程序?qū)︽I盤，掃描儀，鼠標進行寫入操作，這些設(shè)備是不支持寫入的，還有就是應(yīng)用程序提供了一個無效的緩沖區(qū)或者參數(shù)，這些編程導(dǎo)致的錯誤，IO子系統(tǒng)直接返回相應(yīng)的錯誤碼給應(yīng)用程序。

二：另外一種IO類的錯誤就是設(shè)備確實有問題了，例如應(yīng)用程序試圖寫入一個損壞的磁盤塊，這類錯誤交由設(shè)備驅(qū)動程序解決，如果設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嵲诓恢涝趺唇鉀Q，則再返回IO子系統(tǒng)，由IO子系統(tǒng)返回給應(yīng)用程序。

三：還有一些IO類錯誤可以交由用戶去決定怎么去解決，例如一個讀磁盤發(fā)生錯誤，可以由IO子系統(tǒng)告知用戶，例如彈出一個對話框，讓用戶去選擇重試次數(shù)，忽略錯誤，或者干脆停掉進程。

操作系統(tǒng)訪問IO設(shè)備的流程舉例

假設(shè)應(yīng)用程序進行一個系統(tǒng)調(diào)用read讀取磁盤數(shù)據(jù)，這個read是阻塞的，設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備控制器交互方式采用DMA，下面來闡述下整個流程如下圖所示：

1.IO子系統(tǒng)根據(jù)文件名可以定位到設(shè)備驅(qū)動程序，設(shè)備寄存器端口,磁盤物理地址，每個操作系統(tǒng)有各自的實現(xiàn)方式，通常這一部分通常由文件系統(tǒng)來實現(xiàn)。

2.IO子系統(tǒng)根據(jù)磁盤物理地址去高速緩沖中查找，如果高速緩沖命中，則將高速緩沖中的數(shù)據(jù)拷貝到用戶空間緩沖，調(diào)用返回。

5.IO子系統(tǒng)將應(yīng)用程序A從CPU的運行隊列移除,加入到設(shè)備的等待隊列，這個時候應(yīng)用程序阻塞了。

6~8.IO子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備寄存器端口和磁盤物理地址封裝IO請求，將IO請求加入到設(shè)備IO請求隊列中，IO子系統(tǒng)根據(jù)IO請求調(diào)度算法，開始調(diào)用IO請求，最終將應(yīng)用進程A的IO請求發(fā)送給設(shè)備驅(qū)動程序。

9~11.設(shè)備驅(qū)動程序在內(nèi)核空間開辟一塊內(nèi)存空間，作為內(nèi)核緩沖,這塊內(nèi)核緩沖用來接收來自磁盤的數(shù)據(jù),然后設(shè)備驅(qū)動程序控制DMA,發(fā)送控制請求給DMA，然后設(shè)備驅(qū)動程序阻塞了，阻塞的方法有很多中，比如wait。

12.DMA控制磁盤控制器，完成讀取數(shù)據(jù)后，發(fā)送中斷信號給CPU。

13.CPU接受到中斷信號后，開始執(zhí)行中斷處理程序，程序會檢查IO請求是否已經(jīng)完成，請求的完成狀態(tài)等，然后封裝IO請求結(jié)果，發(fā)送給IO子系統(tǒng)。

14. IO子系統(tǒng)收到請求結(jié)果后，會喚醒設(shè)備驅(qū)動程序，喚醒的方式比如singal,同時IO子系統(tǒng)會拷貝內(nèi)核緩沖的數(shù)據(jù)到用戶緩沖，同時將返回結(jié)果設(shè)置到應(yīng)用程序A的用戶空間。

15.IO子系統(tǒng)將應(yīng)用程序A從設(shè)備隊列中移除，加入到CPU就緒隊列中。

16.CPU調(diào)度運行應(yīng)用進程A，應(yīng)用進程A將返回結(jié)果返回。