输入输出系统的工作原理——每天 10 分钟操作系统，第 12 天
📅
开始之前 🔗
没有输入设备（鼠标、键盘）和输出设备（显示器、打印机），计算机就无法正常工作。负责在这些设备与操作系统之间交换信息的，就是
输入输出系统（I/O System）
。
本文将结合示例，逐一介绍输入输出硬件的结构，以及操作系统如何处理和管理这些硬件。什么是输入输出硬件？ 🔗
输入输出硬件是指计算机与外部交流所使用的所有设备。典型设备包括：
- 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪
- 输出设备：显示器、打印机、扬声器
- 存储设备：硬盘、SSD、USB
- 通信设备：网卡、蓝牙模块
这些设备都通过*控制器（controller）*连接到操作系统。控制器负责控制设备的实际操作，充当在 CPU 与内存之间交换数据的中间管理者。
内核的输入输出子系统 🔗
操作系统内核并不直接操作每一种输入输出设备，而是通过
驱动程序（driver）
间接管理它们。和
输入输出子系统组成部分 🔗
- 设备驱动程序：控制特定硬件的程序，例如打印机驱动。
- 缓冲与缓存：在内存中存储、整理数据，以加快处理。
- 中断处理：向 CPU 传递设备已完成任务的信号。
- DMA（Direct Memory Access，直接内存访问）：无需 CPU 参与，即可在设备与内存之间直接传输数据。
示例流程 🔗
用户通过打印机打印文档时：
- 程序通过系统调用发出请求。
- 内核将请求交给打印机驱动。
- 驱动向打印机控制器发送命令。
- 打印完成时产生中断 → 通知 CPU。
应用程序与 I/O 接口 🔗
应用程序不会直接处理输入输出，而是向操作系统提出请求。这些请求以*系统调用（System Call）*的形式传递。
read()、write()、open()、close() 等都是典型的系统调用。
操作系统接收请求，将其交给适当的驱动程序，再把结果返回给应用程序。因此，开发者即使不了解设备的详细结构，也能执行 I/O 操作。
什么是 STREAMS？ 🔗
UNIX 类系统使用名为
STREAMS
的结构来组织输入输出流程。- 将多个输入输出模块像“流（stream）”一样连接起来。
- 模块之间交换数据，每个模块都可以独立处理。
- 用于网络通信、终端输入输出等场景。
就像在水管上连接多个过滤器一样，可以灵活地组织输入输出处理流程。
输入输出与性能 🔗
输入输出对整个系统的速度有很大影响。以下技术可用于提升性能：
- 异步 I/O：发出请求后不等待，立即执行下一项任务。
- 缓冲／缓存：弥补输入输出速度与 CPU 处理速度之间的差距。
- 基于中断的处理：由设备发送完成信号，代替轮询。
- 块输入输出：一次处理多项数据。
输入输出调度层示例 🔗
为了高效处理输入输出请求，操作系统会使用不同层次的队列：
- 请求队列（Request Queue）：在设备驱动前等待处理的请求。
- 调度算法：使用 FIFO、SSTF、LOOK、C-LOOK 等磁盘相关算法。
- 合并（Merging）：将相邻请求组合起来，提高处理速度。
这些技术可以让系统资源得到有效利用。
总结 🔗
本文介绍了输入输出硬件的基本结构，以及操作系统如何控制这些硬件。理解系统调用、驱动、DMA、STREAMS 等概念在实际工作中的联系，并在脑中形成清晰的图景，非常重要。
下一篇将介绍
文件系统接口
。参考资料 🔗
- Operating System Concepts（第 10 版）
- https://en.wikipedia.org/wiki/I/O_scheduling↗
- https://www.geeksforgeeks.org/i-o-scheduling-in-operating-systems/↗
