操作系统如何与外部设备交互

计算机硬件系统架构：

实际上，IO总线又可以分为常规IO总线和外围IO总线，常规IO总线是离CPU比较近的总线，即主要用于对时延要求高的设备，比如说显示器；外围总线相反。

设备控制器：

磁盘有磁盘控制器，打印机有打印机控制器，显卡有显卡控制器，键盘鼠标也有自己的控制器…

CPU是不会直接去和这些设备打交道的，对于这些各种各样的外部设备都是由设备控制器去进行控制的

拿打印机的设备控制器来举例子，打印机设备控制器主要分为两大部分，寄存器部分和接口控制电路。

其中寄存器分为命令寄存器，数据寄存器，状态寄存器等：

命令寄存器：设备需要执行的某个具体的操作或者任务
数据寄存器：操作的数据，可以是CPU要给设备的数据，也可以是设备返回的数据
状态寄存器：用于存储当前设备状态，如忙碌或者就绪状态

举例CPU通过设备控制器和打印机做交互：

主要可以划分为以下几步：

CPU查看状态寄存器的值，来判断设备的状态。假如设备的状态是BUSY，说明设备正在工作，不可使用，CPU可以通过轮询或者忙等待的方式继续查看设备的状态，直到状态为READY，转到第2步；假如设备的状态是READY，转到第2步；
向设备的数据寄存器写入数据，同时将状态寄存器转换成BUSY状态；
下发命令，将需要执行的命令写入到命令寄存器中；
设备控制器执行命令；
完成命令，将状态寄存器的状态设置为READY。

问题：

1.CPU给设备控制器的寄存器发送数据时，CPU是怎么找到要发送的给那个寄存器呢？

答：端口映射IO，或者给每个寄存器进行编址（内存映射IO）.
如CPU会给每个寄存器分配一个端口，如数据寄存器端口是0X03A1，数据寄存器的端口是0X03B0等…

2.CPU通过什么指令将数据给到设备控制的各个寄存器？

答：使用IN(从外部设备控制器读取数据) OUT(内存数据写入设备控制器)等指令，
如将CPU中寄存器eax中的数据写到数据寄存器中，OUT 0X03B0 EAX 即可
当然IN OUT都是内核态的指令，设备控制器是内核态的代码，可以执行这些指令是不奇怪的。
我们用户态的应用程序是通过系统调用，将数据和指令传递给内核，进入内核态，由内核代码完成命令的下发和执行，最终完成设备控制器的工作。

总结：缺点

缺点一：轮询查状态，低效，使用中断机制替代

以上过程CPU全程参与了整个工作过程，CPU可能需要不断的在查询设备状态时，不断的轮询，会造成CPU时间片的浪费。
实际上，现在设备控制器会使用中断机制来处理该问题，当CPU看到设备的状态是BUSY，那么将会转去做别的事儿，当设备状态转为READ时，设备控制器会给CPU发送一个中断信号，通知告诉CPU，我当前时READY状态，可以使用，CPU接下来查询中断向量表，调用相应的中断服务程序，对相应设备控制器进行下发指令，完成相应的任务。
实际上，我们的系统中充斥着种种的中断，因为中断多数情况下能比轮询等方式高效，但是不是绝对的，因为中断有人上下文的切换等时间开销，对吧，当系统中充斥着大量的中断，系统不见得反应多灵敏呢。只能说多数情况下，中断能好一些。

缺点二：拿打印机来讲，CPU需要参与整个数据的移动拷贝过程，使用DMA（Direct Memory Access）机制替换