1. I/O 原理概述
设备独立性
现在让我们转向对 I/O 软件的研究，I/O 软件设计一个很重要的目标就是设备独立性(device independence)。啥意思呢？这意味着我们能够编写访问任何设备的应用程序，而不用事先指定特定的设备。比如你编写了一个能够从设备读入文件的应用程序，那么这个应用程序可以从硬盘、DVD 或者 USB 进行读入，不必再为每个设备定制应用程序。这其实就体现了设备独立性的概念
再比如说可以输入一条下面的指令
sort 输入 输出。那么上面这个输入就可以接收来自任意类型的磁盘或者键盘，并且输出可以写入到任意类型的磁盘或者屏幕
计算机操作系统是这些硬件的媒介，因为不同硬件它们的指令序列不同，所以需要操作系统来做指令间的转换
与设备独立性密切相关的一个指标就是统一命名(uniform naming)。设备的代号应该是一个整数或者是字符串，它们不应该依赖于具体的设备。在 UNIX 中，所有的磁盘都能够被集成到文件系统中，所以用户不用记住每个设备的具体名称，直接记住对应的路径即可，如果路径记不住，也可以通过 ls 等指令找到具体的集成位置。举个例子来说，比如一个 USB 磁盘被挂载到了 /usr/cxuan/backup 下，那么你把文件复制到 /usr/cxuan/backup/device 下，就相当于是把文件复制到了磁盘中，通过这种方式，实现了向任何磁盘写入文件都相当于是向指定的路径输出文件
错误处理
- 除了设备独立性外，I/O 软件实现的第二个重要的目标就是错误处理(error handling)。通常情况下来说，错误应该交给硬件层面去处理。如果设备控制器发现了读错误的话，它会尽可能的去修复这个错误
- 如果设备控制器处理不了这个问题，那么设备驱动程序应该进行处理，设备驱动程序会再次尝试读取操作，很多错误都是偶然性的，如果设备驱动程序无法处理这个错误，才会把错误向上抛到硬件层面（上层）进行处理，很多时候，上层并不需要知道下层是如何解决错误的。这就很像项目经理不用把每个决定都告诉老板；程序员不用把每行代码如何写告诉项目经理。这种处理方式不够透明
同步和异步传输
I/O 软件实现的第三个目标就是 同步(synchronous) 和 异步(asynchronous，即中断驱动)传输。这里先说一下同步和异步是怎么回事吧
同步传输中数据通常以块或帧的形式发送。发送方和接收方在数据传输之前应该具有同步时钟。而在异步传输中，数据通常以字节或者字符的形式发送，异步传输则不需要同步时钟，但是会在传输之前向数据添加奇偶校验位。下面是同步和异步的主要区别
回到正题。大部分物理IO(physical I/O) 是异步的。物理 I/O 中的 CPU 是很聪明的，CPU 传输完成后会转而做其他事情，它和中断心灵相通，等到中断发生后，CPU 才会回到传输这件事情上来。I/O 分为两种：物理I/O 和 逻辑I/O(Logical I/O)，物理 I/O 通常是从磁盘等存储设备实际获取数据。逻辑 I/O 是对存储器（块，缓冲区）获取数据
缓冲
- I/O 软件的最后一个问题是缓冲(buffering)。通常情况下，从一个设备发出的数据不会直接到达最后的设备。其间会经过一系列的校验、检查、缓冲等操作才能到达
- 举个例子来说，从网络上发送一个数据包，会经过一系列检查之后首先到达缓冲区，从而消除缓冲区填满速率和缓冲区过载
共享和独占
- I/O 软件引起的最后一个问题就是共享设备和独占设备的问题。有些 I/O 设备能够被许多用户共同使用。一些设备比如磁盘，让多个用户使用一般不会产生什么问题，但是某些设备必须具有独占性，即只允许单个用户使用完成后才能让其他用户使用
- 下面，我们来探讨一下如何使用程序来控制 I/O 设备。一共有三种控制 I/O 设备的方法
- 使用程序控制 I/O
- 使用中断驱动 I/O
- 使用 DMA 驱动 I/O
2. 使用程序控制 I/O
使用程序控制 I/O 又被称为 可编程I/O，它是指由 CPU 在驱动程序软件控制下启动的数据传输，来访问设备上的寄存器或者其他存储器。CPU 会发出命令，然后等待 I/O 操作的完成。由于 CPU 的速度比 I/O 模块的速度快很多，因此可编程 I/O 的问题在于，CPU 必须等待很长时间才能等到处理结果。CPU 在等待时会采用轮询(polling)或者 忙等(busy waiting) 的方式，结果，整个系统的性能被严重拉低。可编程 I/O 十分简单，如果需要等待的时间非常短的话，可编程 I/O 倒是一个很好的方式。一个可编程的 I/O 会经历如下操作
CPU 请求 I/O 操作
I/O 模块执行响应
I/O 模块设置状态位
CPU 会定期检查状态位
I/O 不会直接通知 CPU 操作完成
I/O 也不会中断 CPU
CPU 可能会等待或在随后的过程中返回
3. 使用中断驱动 I/O
鉴于上面可编程 I/O 的缺陷，我们提出一种改良方案，我们想要在 CPU 等待 I/O 设备的同时，能够做其他事情，等到 I/O 设备完成后，它就会产生一个中断，这个中断会停止当前进程并保存当前的状态。一个可能的示意图如下
尽管中断减轻了 CPU 和 I/O 设备的等待时间的负担，但是由于还需要在 CPU 和 I/O 模块之前进行大量的逐字传输，因此在大量数据传输中效率仍然很低。下面是中断的基本操作
- CPU 进行读取操作
- I/O 设备从外围设备获取数据，同时 CPU 执行其他操作
- I/O 设备中断通知 CPU
- CPU 请求数据
- I/O 模块传输数据
4. 使用 DMA 的 I/O
- DMA 的中文名称是直接内存访问，它意味着 CPU 授予 I/O 模块权限在不涉及 CPU 的情况下读取或写入内存。也就是 DMA 可以不需要 CPU 的参与
- 这个过程由称为 DMA 控制器（DMAC）的芯片管理。由于 DMA 设备可以直接在内存之间传输数据，而不是使用 CPU 作为中介，因此可以缓解总线上的拥塞。DMA 通过允许 CPU 执行任务，同时 DMA 系统通过系统和内存总线传输数据来提高系统并发性