io系统属于操作系统吗操作系统是如何访问IO设备的

导读操作系统访问IO设备的过程，经历过很多个层次，就像网络层协议一样，每一层干每一层的事情，每一层又向上层提供接口，操作系统访问IO设备的层次结构如下图所示：I....

操作系统访问IO设备的过程，经历过很多个层次，就像网络层协议一样，每一层干每一层的事情，每一层又向上层提供接口，操作系统访问IO设备的层次结构如下图所示：

IO结构层次

因此，本篇文章分为5个部分，逐步阐述操作系统访问IO设备的过程

1. IO设备分类
2. 设备控制器
3. 设备驱动程序
4. 内核IO子系统
5. 操作系统控制IO设备的流程举例

IO设备分类:

IO设备大致分为块设备,字符设备,网络设备,定时器等，本篇文章主要关注的是块设备，字符设备，网络设备，这些设备是我们程序开发中经常涉及的部分。

块设备:

块设备将数据分隔成多个固定大小的块进行存储，块是数据存储的最小单位，每个块的大小可以为512字节-65536字节，每个块都有唯一的地址，因此块设备是可以寻址的，每次读写块设备的数据时，都是以块为最小单位读取或者写入连续的多个块。

例如磁盘就是块设备，它的块大小通常是512个字节等于磁盘的一个扇区的大小，因此一个扇区就是一个块，磁盘的数据是由很多个扇区构成。

通常块设备可以顺序访问或者随机访问，应用程序访问块设备时，通常不是直接访问的，而是通过文件系统，文件系统对块设备进行统一管理，将块设备的各类细节封装起来，文件系统管理的是逻辑设备即文件，文件系统统一提供read,write,seek等接口间接访问块设备，文件系统将文件名和块设备的每一个块之间的映射关系隐藏起来，因此块设备对于应用程序来说是透明。

当然有些特殊的应用程序例如数据库管理系统可以直接访问块设备，对块设备的每个块采用专用的数据结构进行管理，以达到最佳的读写效率，这些专用的数据结构有B 树,LSVM树等，这些数据结构都有各自的应用场景。

字符设备:

字符设备是不可以存储和不可以寻址的，字符设备每次读入或者写入一个字符，常见的字符设备包括鼠标，键盘，打印机等,操作系统通常会提供一些get或者put的方法来读取或者写入一个字节，通常会有标准库对操作系统提供的get或者put方法进行封装，例如增加了字符缓冲，支持字符流读写，支持按行读，按行写，编辑缓冲数据等。

网络设备:

网络设备通常用于发送或者接受网络数据，这些网络数据通常是网络包的形式，不同于块设备,操作系统会提供专门的网络接口进行网络数据的发送和接受,网络接口通常就是socket，这个Socket是传输层协议的代理，我们通过socket就可以处理网络数据了。

对于Socket它就像一个电源插座，任何电器都可以插入电源插座，一旦插入电源插座就可以通电，因此应用程序也可以用创建一个Socket,Socket分为服务端Socket和客户端Socket,服务端Socket启动后，会一直监听来自客户端Socket的来电，一旦接到来电就可以转给一个接线员,这个接线员也是一个Socket，由它来负责与客户端Socket的通信。

Socket通常支持BIO，NIO，AIO几种模式，不同的操作系统支持的模式不同，通常都支持BIO和NIO，根据不同的应用场景可以选择不同的模式，没有绝对可言。

定时器:

定时器通常分为硬定时器和软定时器。

硬定时器：

硬定时器通常是由晶体震荡器,计数器和存储寄存器组成,当把一块石英晶体适当地切割后，并在它上加上一定的电压后，它就可以非常精确地产生周期性的时钟信号，这些信号的频率可以是几百赫兹,几千赫兹等,这个频率值跟所选的晶体类型有关。

硬定时器的基本原理是这样的：

每个定时器会在存储寄存器设置一个计数值，每次定时器启动时，将这个计数值设置到计数器中，每次晶体震荡后，产生一个时钟信号，该信号被送入到计数器，计数器就减1，直到计数器变为0，那就表示定时器触发了，它会给CPu发送一个时钟中断，CPU接收到这个中断后会进入时钟处理程序。

时钟处理程序会进行一些防止进程时间片超时，进程CPU使用情况记账，维护计算机时间，计算机硬件监控，进程性能数据剖析等工作。

硬件定时器可以分为一次性定时器和永久性定时器，一次性定时器表示定时器触发后后，就自动停止了，永久性定时器则每次定时器触发后，会将存储寄存器中的计数值重新赋值给计数器，然后重新启动定时器，一直运行，直到计算机关闭。

软定时器：

有些高性能的工作需要高频率地执行，例如一个高性能的网络，网络带宽为千兆级别以上，为了保证高效率地输出，每隔12us就要发送一个数据包，如果采用硬定时器，每隔12us产生中断后，会进行一系列的处理，包括进程上下文，流水线，高速缓冲,TLB，MMU等重新切换等，这一繁杂的切换工作需要的时间可能已经接近12us,那么这就意味着从中断开始到真正开始发送数据包，会经过一段时间，这个时间对于一个高性能的网络来说是不能容忍的，因此这种场景可以采用软定时器，软定时器不需要中断，每次发送数据包时，会根据硬定时器 12us设置一个超时时间，每次发送完数据包切换到用户态后，用户程序检查这个超时时间是不是已经过期了，如果过期了就立即发送一个数据包，对于这类高性能的场景，软定时器比较合适，当然如果没有要求那么高的性能要求的话，一般的硬定时器中断足够应付了。

设备控制器:

操作系统是不直接操作IO设备，常常是通过设备控制器间接访问IO设备，可以说设备控制器是CPU与IO设备的桥梁，设备控制器可以连接单个设备，也可以同时连接多个设备，如果连接多个设备，设备控制器和设备之间需要增加一个仲裁设备，这个仲裁设备负责仲裁设备控制器要和那个IO设备进行交互。

设备控制器负责的工作如下：

• 负责控制IO设备，例如设备的读，写，打开，关闭等。
• 协调CPU和IO设备速度读写速度的不匹配，例如设备控制器增加数据缓冲。
• CPU和IO设备数据信号的转换。
• CPu时钟频率和IO设备时钟频率的协调和同步。
• IO端口地址的译码，例如翻译IO端口地址到具体的设备寄存器。

设备控制器提供了4种寄存器即状态寄存器，数据输入寄存器，数据输出寄存器，控制寄存器，操作系统和设备控制器之间的交互就是通过这些设备寄存器，因此它们的交互方式类似于生产者和消费者的关系。

数据输出寄存器:

操作系统可以将CPU寄存器的数据发送到数据输出寄存器，设备控制器得知数据输出寄存器有数据后，就将数据输出寄存器的数据发送给IO设备。

数据输入寄存器:

设备控制器读入IO设备的数据后，存储在数据输入寄存器，然后操作系统读取数据输入寄存器的数据到CPU寄存器中。

状态寄存器：

存储设备相关的状态，例如设备是否已经就绪，数据输入寄存器是不是有数据了等，操作系统可以读取该寄存器的值来查看设备的各类状态。

控制寄存器：

操作系统可以写入控制寄存器从而告知设备控制器执行什么IO操作。

另外，为了协调CPU和IO设备的读写速度差异，设备控制器通常有数据缓冲，用于缓冲从设备读入的数据，或者从操作系统写入的数据，例如操作系统将数据写入到数据输出寄存器后，设备控制器将数据输出寄存器的数据直接写入到数据缓冲，而不是直接发送到IO设备，这个很好理解，因为设备控制器写入数据到IO设备的速度与CPU的发送速度相比差异太大了。

操作系统怎么读写设备寄存器呢，有两种方式

1.IO指令

每个设备寄存器都有一个地址，它与内存的地址不同，这个地址称为IO端口地址，操作系统支持的IO端口地址有65536个即0~64K-1，IO端口地址的范围叫做IO端口空间，内存地址范围叫做内存空间，因此IO端口空间与内存空间是独立的。

假如CPU要读取一个端口地址对应设备寄存器，过程如下:

1.CPU将IO端口地址放到地址总线上，然后在控制总线上设置一个READ信号，此时只是CPU只是要表明要读取某个地址的数据了，至于这个地址来自哪个空间，还需要下一步操作。

2.CPU设备另外一条信号线，设置信号线要访问IO端口空间。

3.所有的设备控制器接收到该信号线后，发现是访问IO端口空间，就会检查地址总线上的地址是不是自己的寄存器的地址，总有一个设备控制器接受这个地址，不是自己的地址设备控制器直接忽略这个信号。

下面表格为PC设备中常见的设备IO端口地址分布图