1. 概述
在本篇教程中，我们将探讨操作系统 I/O 子系统的基本结构，了解 I/O 硬件的工作原理与复杂性，并简要分析 I/O 硬件与软件的交互方式。
✅ I/O 管理是操作系统设计中最重要的组成部分之一，原因如下：
- I/O 设备种类繁多
- 控制方式各异
- 新型设备不断涌现
我们通过端口、设备控制器和总线来连接各种类型的设备。在连接过程中，设备驱动程序负责封装设备的细节，实现与操作系统的对接。
2. I/O 硬件
I/O 设备种类繁多，主要包括以下几类：
- 存储设备（如磁盘、磁带）
- 传输设备（如网卡、调制解调器）
- 人机交互设备（如显示器、键盘、鼠标）
- 特殊用途设备（如游戏手柄）
下图展示了一个典型的 PC 总线结构：
要理解这些设备如何工作，我们先来了解几个关键概念：
- 端口（Port）：设备的连接点
- 总线（Bus）或菊花链（Daisy Chain）：不同类型的总线包括：
- PCI 总线：常见于个人电脑和服务器中，如 PCIe（Peripheral Component Interconnect Express）
- 扩展总线：用于连接速度较慢的设备
- SAS（Serial-Attached SCSI）：常见于磁盘接口
- 控制器（Controller 或 Host Adapter）：用于操作端口、总线和设备的电子组件。它们可能集成在主板上，也可能独立存在。有的控制器还带有自己的处理器、微码、私有内存或总线控制器。
⚠️ 资源争用（Resource Contention） 是计算中常见的问题。Dijkstra 曾通过“哲学家就餐问题”等模型来描述此类问题。例如，多个 I/O 设备可能同时争夺同一条总线，从而引发总线争用（Bus Contention）。
解决总线争用问题的方法称为 总线仲裁（Bus Arbitration），由总线仲裁器（Bus Arbiter）或总线控制器（Bus Controller）负责管理。常见的仲裁方式包括：
- 菊花链式仲裁（Daisy Chaining）
- 轮询（Polling）
- 独立请求（Independent Requesting）
2.1. I/O 设备分类
I/O 设备大致可分为以下四类：
- 存储类（Storage）：如硬盘、磁带
- 传输类（Transmission）：如网卡、调制解调器
- 人机接口类（Human-interface）：如屏幕、键盘、鼠标
- 专用类（Specialized）：如游戏手柄、绘图板等
3. 设备控制器
从上图可以看出，设备控制器在设备和驱动之间起着桥梁作用。设备驱动是嵌入在操作系统中的软件模块，专门用于管理特定硬件。
I/O 设备通常由机械部件和电子部件组成，我们把电子部分称为设备控制器。
✅ 每个 I/O 设备都必须有对应的设备控制器和驱动程序，才能与操作系统正常通信。否则设备将无法工作。
举个例子：在 Windows 10 之前，重装系统后往往需要手动安装各种驱动。而 Windows 10 则通过内置驱动库自动完成这一过程，大大简化了用户操作。
一个设备控制器可以管理多个设备，其主要功能包括：
- 将串行比特流转换为字节块
- 执行错误校正
- 提高数据传输效率
4. I/O 控制器
前面我们讨论了各种 I/O 设备。这些设备的数据传输速率和接口方式各不相同。例如，键盘和鼠标的数据传输速率相近，且以异步方式与计算机通信。
如果所有 I/O 操作都由 CPU 处理，系统性能将受到严重影响。这时就需要 I/O 控制器 来缓解 CPU 的负担。
✅ I/O 控制器是 CPU、内存与 I/O 设备之间的桥梁。
它们不仅能处理不同设备的接口差异，还能在数据传输过程中充当缓冲区，提高整体系统效率。
5. 总结
本文我们探讨了 I/O 硬件的基本原理和关键概念，包括端口、总线、控制器、设备分类等内容。可以毫不夸张地说，I/O 管理是操作系统中不可或缺的重要组成部分。
无论是从硬件设计、驱动开发还是系统优化的角度来看，理解 I/O 管理机制都是提升系统性能和稳定性的关键一步。