操作系统-I/O

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I/O设备：将数据输入/输出计算机的外部设备。 - 按使用特性可分为人机交互类设备、存储设备、网络通信设备； - 按传输速率可分为低速设备、中速设备、高速设备； - 按信息交换的单位可分为块设备、字符设备； I/O分为软件层和硬件层，软件层次从上至下可分为用户层软件、设备独立性软件、设备驱动软件、中断处理程序，每层会利用下层提供的服务，实现某些功能，并屏蔽实现的具体细节，向高层提供服务（封装）。 ## 一、IO控制器 I/O设备的电子部分，用于实现对I/O设备的控制。 #### 1. 主要功能 - 接受和识别CPU发出的指令（控制寄存器）； - 向CPU报告设备的状态（状态寄存器）； - 数据交换，暂存输入/输出的数据（数据寄存器）； - 地址识别（由I/O逻辑实现）； #### 2. 组成 - CPU和控制器之间的接口（实现控制器和CPU之间的通信）； - I/O逻辑（负责识别CPU发出的命令，并向设备发出命令）； - 控制器和设备之间的接口（实现控制器和设备之间的通信）； #### 3. 寄存器编址方式 内存映射I/O： - 控制器中的寄存器和内存统一编址； - 可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作； 寄存器独立编址： - 控制器中的寄存器独立编址； - 需要设置专门的指令来操作控制器； ## 二、I/O控制方式 用什么方式来控制I/O设备的数据读/写。 #### 1. 程序直接控制方式 - CPU干预频率高（等待IO完成过程需要不断轮询检查）； - 每次数据传送单位为一个字； - 实现简单，但CPU利用率低； #### 2. 中断驱动方式 - CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号； - CPU干预频率较低； - 每次数据传送单位为一个字； - CPU利用率明显 提升，但频繁中断会消耗大量CPU时间； #### 3. DMA方式 直接存储器存取，主要用于块设备的I/O控制。 - 数据传送单位是“块”； - 仅在传送一个或多个连续数据块的开始和结束时，才需要CPU干预； - I/O设备和内存间的数据传输不需要经过CPU； #### 4. 通道控制方式 CPU发出I/O命令后可以做其他事，通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号。 - CPU干预频率极低； - 每次读写一组数据块； - 实现复杂，需要专门的硬件； ## 三、假脱机技术 用户层软件：实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数。 假脱机技术又称SPOOLing技术，在用户层软件实现，是用软件的方式模拟脱机技术，达成脱离主机控制进行输入/输出的目的。 - 输入井和输出井：在磁盘中申请的临时存放输入/输出数据的空间； - 输入进程和输出进程：设备数据与输入/输出井的数据交互进程； - 输入缓冲区和输出缓冲区：内存中的缓冲区，输入/输出时的中转站； ## 四、设备的分配与回收 设备独立性软件：负责I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理等； #### 1. 设备分配时应考虑的因素 设备的固有属性 - 独占设备、共享设备、虚拟设备； 设备分配算法 - 先来先服务、优先级高者优先、短任务有限等等； 设备分配中的安全性 - 安全分配方式：为进程分配一个I/O设备后就将进程阻塞； - 不安全分配方式； #### 2. 静态分配和动态分配 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行接收后归还； 动态分配：进程运行过程中动态申请资源； #### 3.设备分配管理中的数据结构 设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况； - 设备类型（打印机/扫描仪/键盘...）； - 设备标识符（物理设备名）； - 设备状态（空闲/忙碌/故障...）； - 指向设备控制器的指针（每个设备由一个控制器控制）； - 重复执行次数或时间（多次操作不成功后认为本次I/O失败）； - 设备队列的队首指针（指向正在等待该设备的进程队列，队列由进程PCB组成）； 控制器控制表（COCT）：每个设备控制器对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理； - 控制器标识符、控制器状态、指向通道表的指针、控制器队列队首/尾指针； 通道控制板（CHCT）：每个通道对应一张CHCT，操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理； - 标识符、状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列队首/队尾指针； 系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备情况，每个设备对应一个表目； #### 4. 设备分配的步骤 - 根据进程请求的物理设备名查找SDT； - 根据SAT找到DCT，若忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列； - 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则挂到控制器等待队列； - 根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则搞到通道等等队列； - 可以建立逻辑设备名和物理设备名的映射机制，用户编程时只需提高逻辑设备名。

五、缓冲区管理

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区（常用）。 作用： - 缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾； - 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制； - 解决数据粒度不匹配的问题； - 提高CPU与I/O设备之间的并行性； #### 1. 单缓冲 在主存中为用户进程分配一个缓冲区（一个块）。 - 缓冲区数据非空时不能冲入数据，缓冲区为空时，需要充满才能把数据传出； #### 2. 双缓冲 在主存中为用户进程分配两个缓冲区。 #### 3. 循环缓冲 多个缓冲区链接成循环队列，in指针指向第一个缓冲区，out指针指向第一个满缓冲区； #### 4. 缓冲池 由系统中共用的缓冲区组成。 - 按使用状况分为空缓存队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列； - 按实际功能不同设置四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）、用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）、用于提取输入数据的工作缓冲（cin）、用于提取输出数据的工作缓冲区（cout）