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Linux OS Analysis Linux操作系统分析 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512 xlanchen@ustc.edu.cn 助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008 管理I/O设备 中国科学技术大学计算机系 陈香兰（0512 xlanchen@ustc.edu.cn 助教：裴建国、冯晓静 Autumn 2008 I/O体系结构 总线：PC的CPU、RAM、I/O设备之间需要某些数据通路来保证信息的流动 总类： ISA、 EISA、 VESA、PCI以及MCA等等 三种基本类型 数据总线（pentium，64位） 地址总线（pentium，32位） 控制总线 当总线用于CPU与I/O设备之间的连接时，成为I/O总线 在x86处理器中，只使用了32位地址总线中的16位对I/O设备进行寻址 寻址范围？ 使用64位数据总线中的8、16、32位传送数据 I/O设备与CPU之间的连接层次为： CPU?I/O端口?I/O接口?设备控制器 PC的I/O体系结构 I/O端口（I/O port） 每个I/O端口8位，由于只使用16位地址总线访问，因此I/O地址空间一共提供65536个I/O端口 在端口地址对齐的情况下，连续的I/O端口可以看成16位/32位端口 特定的指令用来访问I/O端口：in，ins，out，outs I/O端口的另外一种访问方法 直接映射到物理地址空间 可以使用存储器操作指令，如mov，and，or等等 I/O端口中的寄存器 Linux中访问I/O端口的操作 inb、inw、inl inb_p、inw_p、inl_p outb、outw、outl outb_p、outw_p、outl_p insb、insw、insl outsb、outsw、outsl I/O端口的分配 不同的设备使用各自不同的端口 内核使用资源信息来记录端口分配信息 相关的操作 I/O接口 I/O接口是处于一组I/O端口和对应的设备控制器之间的一种硬件电路 I/O端口?设备：将I/O端口中的值转换成设备所需要的命令和数据 设备?I/O端口：检测设备状态的变化，更新端口中相应的状态寄存器 连接到PIC上，代表设备发出中断请求 专用I/O接口和通用I/O接口 专用I/O接口 专用于一个特定的硬件设备 键盘接口 图形接口 磁盘接口 总线鼠标接口 网络接口 通用I/O接口 现代PC都包含连接很多外部设备的几个通用I/O接口 并口：传输单位1个字节 串口：逐位传送 USB口 PCMCIA接口 SCSI接口 设备控制器 复杂的设备需要一个设备控制器（device controller）来驱动 作用 对I/O接口接收到的高级命令进行解释，并控制设备执行特定的操作 对从设备接收到的电信号进行解释和转换，并修改状态寄存器 典型的设备控制器，例如磁盘控制器 I/O共享存储器 很多硬件设备都有自己的存储器，通常称之为I/O共享存储器（I/O Shared Memory），如显存 映射I/O共享存储器的地址 根据设备和总线类型的不同，可以在三个不同的物理地址范围之间进行映射 对于连接到ISA总线上的大多数设备 0xa0000~0xfffff 对于使用VESA局部总线的一些老设备（图形卡） 0xe00000~0xffffff（现在基本不生产） 对于连接到PCI总线的设备 映射到RAM物理地址的顶端 关于图形加速端口AGP（Accelerated Graphics Port）标准 是高性能图形卡的PCI增强版 不仅有I/O共享存储器，还能通过图形地址再映射表GART（Graphics Address Remapping Table）直接对主板的RAM部分进行寻址 I/O共享存储器的访问 对于物理地址1M之内的I/O共享存储器访问 直接访问3G以上的对应线性区间 addr+3G 对于高端I/O共享存储器访问 没有直接映射在3G以上的线性区间 需要为其创建一块非连续线性区，并将其映射到高端I/O共享存储器的物理地址上 ioremap/iounmap io_mem=ioremap(某个物理起始地址，长度） 访问io_mem+相对于起始地址的偏移处 DMA（直接存储器访问，Direct Memory Access） 所有的PC都包含一个DMAC（DMA控制器） 一种辅助处理器 用来控制在RAM和I/O设备之间传送数据 设置并激活DMAC DMAC自行传送数据 数据传送结束后，DMAC发出一个中断请求 当CPU和DMAC并发访问同一个存储单元时，通过存储器仲裁器解决冲突 使用者：慢速设备 如，磁盘驱动器 设备文件 Unix类操作系统都是基于文件概念的 文件是以字符序列而构成的信息载体，因此一个I/O设备也可以当作文件来处