操作系统(15)I/O硬件

前言

操作系统I/O硬件是计算机系统中至关重要的组成部分,它负责人类与计算机之间的数据交互。

一、I/O硬件的定义与分类

  1. 定义:I/O硬件,即输入/输出硬件,是人类用来和计算机进行通信的外部硬件。它能够向计算机发送数据(输出)并从计算机接收数据(输入)。

  2. 分类

    • 按信息交换单位分类
      • 块设备:数据传输的基本单位是"块",如磁盘。这类设备传输速率较高,可寻址,即可随机地读写任一块。
      • 字符设备:数据传输的基本单位是字符,如鼠标、键盘等。这类设备传输速率较慢,不可寻址,在输入/输出时常采用中断驱动方式。
    • 按使用特性分类
      • 人机交互类外设:如鼠标、键盘、打印机等,用于人机交互。
      • 存储设备:如移动硬盘、光盘等,用于数据存储。
      • 网络通信设备:如调制解调器等,用于网络通信。

二、I/O硬件的构成

  1. 机械组件:主要用来执行具体的I/O操作,如鼠标、键盘的按钮,显示器的LED屏,移动硬盘的磁臂、磁盘盘面等。
  2. 电子组件:通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板,也被称为设备控制器(Device Controller)或适配器(Adapter)。它负责协调主机与外部设备之间的数据传输,并实现CPU对设备的控制。

三、I/O控制器(设备控制器)的功能

  1. 接收和识别CPU发出的指令:如CPU发来的read/write命令,I/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数。
  2. 状态监测与反馈:通过状态寄存器反馈设备的各种错误、状态信息,供CPU查用。
  3. 数据缓冲:通过数据缓冲寄存器(DBR)达到主机和外设工作速度的匹配。
  4. 控制和定时:接收从控制总线发来的控制信号、时钟信号。
  5. 数据格式转换:如串-并、并-串等格式转换。
  6. 与主机和设备通信:实现主机-I/O接口-I/O设备之间的通信。

四、I/O硬件与操作系统的交互

操作系统必须控制所有的I/O设备,向设备发送命令,捕捉中断并处理错误。同时,它应在设备和操作系统的其余部分之间提供一个简单易用的接口。CPU与I/O设备之间的交互通常通过以下两种方式之一进行:

  1. I/O映射方式:每个控制寄存器都被分配一个I/O端口号,形成一个受保护的I/O端口空间。CPU通过特殊的I/O指令访问这些端口。在这种方式中,内存地址空间和I/O地址空间是不相同的。
  2. 内存映射I/O方式:所有控制寄存器被映射到内存空间中,处理器和I/O设备共享同一内存位置。CPU可以使用统一的访存指令访问这些寄存器。这种方式简化了CPU与I/O设备之间的通信,但可能会占用部分主存地址空间。

五、I/O硬件的发展史与未来趋势

  1. 发展史

    • 早期阶段(1940s~1960s):I/O设备非常简单,主要包括打孔卡片、纸带读写器、磁带机等。
    • 随着PC的兴起:I/O设备开始多样化,包括键盘、鼠标、显示器等。串行通信和并行通信技术的出现提升了数据传输速度。
    • 现代阶段:USB技术的普及简化了设备的连接和数据传输。网络接口卡(NIC)和无线技术的应用使得数据传输更加便捷和快速。
  2. 未来趋势

    • 高速接口:如USB 4.x、雷电4等将提供更快的数据传输速率和更高效的电源管理。
    • 无线连接:无线技术的进步将推动更多设备实现无线连接,减少物理线缆的依赖。
    • 智能化:智能I/O设备将能够进行更复杂的数据处理和智能决策,与云计算和人工智能技术紧密结合。
    • 集成化与模块化:I/O设备将趋向集成更多功能,同时模块化设计将允许用户根据需求轻松升级或替换特定功能模块。

总结

综上所述,操作系统I/O硬件是计算机系统中不可或缺的组成部分。它随着技术的进步和用户需求的变化而不断发展,未来将继续朝着更快速、无线化、智能化和环保的方向发展。

结语

明明可以去磨练出一技之长

却把时间花到了无用的社交上

!!!

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