设备（e.g.鼠标、键盘、显示器）的特点：速度慢、难以共享、工作逻辑 varies
操作系统的设备管理使得应用程序不需要关心设备的细节，就可以统一响应
外设借助一个 controller/adapter 和计算机连接在一起
适配器采集设备上操作系统关心的数据，有三类接口：数据、命令、状态
操作系统整理每个厂商提交的设备不同的数据、命令、状态格式，经过封装和抽象，抹去硬件的差异，交给上层应用程序
设备驱动程序 device driver 负责识别 controller 的数据，完成翻译；现代操作系统已经预先继承了若干个通用的 driver
设备管理的思路：
- 标准化
- 上层 application 尽量少感知硬件之间的差异（所有鼠标传给上层的数据都一样）
- 操作系统减少为不同硬件做的修改（所有鼠标的控制逻辑都一样）
- 灵活性
- 能支持新款、新型设备
设备的分类与抽象
标准化：操作系统中预置了 application 可能使用到的设备的类别，然后按照类别（虚基类）设计对应的数据类型和函数
分类方法：function/data management/assignment
为同一类设备定义一套统一的接口，设备厂商只需要按照接口实现对应的函数，applications 遵从接口使用设备即可
灵活性：虚基类设计时需要考虑到所有可能的情况
-> 操作系统从来没有见过的设备怎么办？
外设的机械变化/模拟信号变化 -> 电信号 -> 计算机可以处理的数字信号
设备将得到的数据放在自己的寄存器/数据 buffer 等结构中，通过接口将数据上传
设备数据的传输
CPU 如何读写设备提供的数据接口？
把 CPU 的数据总线对应的选通信号和 adapter 的使能信号连起来，这样 CPU 发出某个地址上的读信号时，可以选通 adapter
RISC 不区分 memory 和 I/O
如何获取数据？
- 用专用的 I/O 指令读写专用的 I/O 端口地址
- 理论上应该是特权指令，这样所有 I/O 读写都必须借由操作系统完成，但由于历史遗留问题是普通指令
- 把 I/O 的地址区域放在内存的某个特定区间，对这个区域发出的读写信号会被转译到对应的外设接口上；没有单独的 I/O 指令，用 load/store 就可以完成
- 专门有一部分地址线选通外设，因此是在物理地址空间预留的区域
- 只能映射在操作系统的内核空间，否则可能会被普通用户直接访问，引发控制逻辑混乱
- 可以使得 I/O 设备和内存共享寻址机制，因此在 MIPS/RISCV 广泛使用
- 混合编址，在内存空间放一个 I/O buffer
- x86 使用，I/O 专用端口只用来兼容老式设备，新式设备的数据都放在内存里
如果要使用外设的地址空间，就必须运行在特权态
-> driver 是操作系统的一部分，或与操作系统一并运转在特权模式
即，driver 可以拿到 OS 的最高权限 -> 试图让 driver 在一个特殊的权限位上，只能访问自己这个设备相关的部分
输入法也是一个 driver
设备交互
设备的速度非常慢 -> 如何及时发现数据并传输？
发现：
- busy waiting 查询
- 轮询外设的状态寄存器，查询操作完成了没有
- 浪费 CPU 时间
- interrupt
- 在需要等待的时间去运行其他进程，设备完成操作时，触发一个中断，唤醒 CPU
- CPU 有一些管脚可以感知中断的电平变化，然后将 PC 跳转到中断响应函数
- 中断的代价太高
- 外设将数据交付给 DMA controller，直到处理完一块，DMA 再给 CPU 产生一个中断
- 在需要等待的时间去运行其他进程，设备完成操作时，触发一个中断，唤醒 CPU
传输：
- CPU 主动逐字节传输数据
- 引入 DMA (direct/disk memory access)，不需要 CPU 干预就可以直接访问内存，以块为单位传输数据
- DMA 类似于一个简化版的 CPU，只能完成地址的递增/递减，产生控制器的读写信号
- DMA 只能访问连续的物理地址，访问不了页表
- 内核会专门为 DMA 预留一块连续的地址空间（操作系统控制物理内存分配，它可以特意选一块连续的），用户需要的时候再将其复制到用户空间
- 使用 buffer 可以匹配设备的速度差异；如果不够，就要叫远端不要再发送数据了
- CPU 会给 DMA 一个内存地址，希望它传输的数据块大小，以及把数据传到硬盘上的 target address
- CPU 需要访问内存的时候，就得叫停 DMA，二者不能并行工作
中断的代价是什么？
- 需要切换到内核态，做权限管理工作
- 操作系统把中断当作了进程调度的机会，频繁的 context switch 很影响性能
中断响应的时间决定了网络传输的上限，CPU 主频不够时，中断占据的时间过多
-> 使用轮询 + DMA
solution：用户态中断；或将网卡对应的存储空间直接映射到用户地址空间，用户轮询发现其状态变化，把数据取走
设备的数据存在内核态，application 运行在用户态，如何传输？
有些操作系统借助文件系统的 syscall 接口 read/write，把内核空间的数据复制到用户空间，或者反之
-> 特例：如何控制向一个输入设备发送控制命令？
Linux 的新接口 ioctl，专门为 I/O 设备传递指令
设备在进程间共享
几个例子
- 磁盘
磁盘磁道移动会花费一定时间，连续从磁盘里读数据时，为了避免等待转一圈，使扇区编号交错（写进技术），controller 有一定时间完成检查
- CD-ROM
为了得到相同的数据读取速率，光盘 driver 在激光发射器的位置需要有一个稳定的线速度，控制电机的转速，读外围数据就转得慢，内围就转得快
- flash
稳定的电容器，放电（把 1 变成 0）很容易（接地），充电（擦除，把 0 变成 1）比较困难
将连续的介质划分为 page，若干个 page 叠加在一起成为一个 block
为了均摊充电的成本，以 block 为单位充电
-> 如果充不上电，这个 block 就被标记为不能再用
出厂时需要检测 flash，进行一次擦除和再读取的工作，如果发现有些 block 不能用，就从总体容量里剔除，所以实际上的存储容量会不够
flash 的数据读写：拿到一个完整的 block 全都充上电，然后把这些 page 里应该是 0 的位置放电
使用过程中由于频繁充放电，会把 block 弄坏；随着擦除次数增长，磁盘慢慢趋向于老化
在 controller 里有一个 FTL table，可以看到计量每个 block 被擦除了多少次
flash 会预留一部分空间，在 block 坏掉的时候从中拿出一个顶替它
- 显卡