第5章　输入/输出

除了提供抽象(例如，进程（和线程）、地址空间和文件）以外，操作系统还要控制计算机的所有I/O（输入/输出）设备。操作系统必须向设备发送命令，捕捉中断，并处理设备的各种错误。它还应该在设备和系统的其他部分之间提供简单且易于使用的接口。如果有可能，这个接口对于所有设备都应该是相同的，这就是所谓的设备无关性。I/O部分的代码是整个操作系统的重要组成部分。操作系统如何管理I/O是本章的主题。

本章的内容是这样组织的：首先介绍I/O硬件的基本原理，然后介绍一般的I/O软件。I/O软件可以分层构造，每层都有明确的任务。我们将对这些软件层进行研究，看一看它们做些什么，以及如何在一起配合工作。

在此之后将详细介绍几种I/O设备：磁盘、时钟、键盘和显示器。对于每一种设备我们都将从硬件和软件两方面加以介绍。最后，我们还将介绍电源管理。

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5.1　I/O硬件原理

不同的人对于I/O硬件的理解是不同的。对于电子工程师而言，I/O硬件就是芯片、导线、电源、电机和其他组成硬件的物理部件。对程序员而言，则只注意I/O硬件提供给软件的接口，如硬件能够接收的命令、它能够完成的功能以及它能够报告的错误。本书主要介绍怎样对I/O设备编程，而不是如何设计、制造和维护硬件，因此，我们的讨论限于如何对硬件编程，而不是其内部的工作原理。然而，很多I/O设备的编程常常与其内部操作密切相关。在下面三节中，我们将介绍与I/O硬件编程有关的一般性背景知识。这些内容可以看成是对1.4节介绍性材料的复习和扩充。

5.1.1　I/O设备

I/O设备大致可以分为两类：块设备（block device）和字符设备（character device）。块设备把信息存储在固定大小的块中，每个块有自己的地址。通常块的大小在512字节至32 768字节之间。所有传输以一个或多个完整的（连续的）块为单位。块设备的基本特征是每个块都能独立于其他块而读写。硬盘、CD-ROM和USB盘是最常见的块设备。

如果仔细观察，块可寻址的设备与其他设备之间并没有严格的界限。磁盘是公认的块可寻址的设备，因为无论磁盘臂当前处于什么位置，它总是能够寻址其他柱面并且等待所需要的磁盘块旋转到磁头下面。现在考虑一个用来对磁盘进行备份的磁带机。磁带包含按顺序排列的块。如果给出命令让磁带机读第N块，它可以首先向回倒带，然后再前进直到第N块。该操作与磁盘的寻道相类似，只是花费的时间更长。不过，重写磁带中间位置的块有可能做得到，也有可能做不到。即便有可能把磁带当作随机访问的块设备来使用，也是有些勉为其难的，毕竟通常并不这样使用磁带。

另一类I/O设备是字符设备。字符设备以字符为单位发送或接收一个字符流，而不考虑任何块结构。字符设备是不可寻址的，也没有任何寻道操作。打印机、网络接口、鼠标（用作指点设备）、老鼠（用作心理学实验室实验），以及大多数与磁盘不同的设备都可看作是字符设备。

这种分类方法并不完美，有些设备就没有包括进去。例如，时钟既不是块可寻址的，也不产生或接收字符流。它所做的工作就是按照预先规定好的时间间隔产生中断。内存映射的显示器也不适用于此模型。但是，块设备和字符设备的模型具有足够的一般性，可以用作使处理I/O设备的某些操作系统软件具有设备无关性的基础。例如，文件系统只处理抽象的块设备，而把与设备相关的部分留给较低层的软件。

I/O设备在速度上覆盖了巨大的范围，要使软件在跨越这么多数量级的数据率下保证性能优良，给软件造成了相当大的压力。图5-1列出了某些常见设备的数据率，这些设备中大多数随着时间的推移而变得越来越快。