【操作系统】I/O系统

1 I/O硬件组成

1.1 设备接口——控制器的作用

• 操作系统将命令写入控制器的接口寄存器（或接口缓冲区）中，以实现输入/输出，并从接口寄存器读取状态信息或结果信息。

• 控制器的任务：把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正。

  首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块；在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到内存中。

1.2 I/O端口地址

定义：接口电路中每个寄存器具有的、唯一的地址，是个整数。

I/O指令形式与I/O地址是相互关联的，主要有两种形式：

I/O指令形式	定义	优点	缺点
I/O独立编址(I/O专用指令)	分配给系统中所有端口的地址完全独立	外设不占用内存的地址空间；易于区分是对内存操作还是I/O操作	I/O端口操作指令类型少，不灵活
内存映像编址(内存映像I/O模式)	分配给系统中所有的地址空间与内存的地址空间统一编址	凡是可对内存操作的指令都可对I/O端口操作，不需要专门的I/O指令	占用内存空间

2 I/O控制方式

I/O控制方式	定义
可编程I/O（轮询/查询）	由CPU代表进程给I/O模块发送I/O命令，进程进入忙等待状态直到操作完成
中断驱动I/O	为了减少设备驱动程序不断询问控制器状态寄存器的开销，I/O操作结束后由设备控制器主动通知设备驱动程序
DMA	直接的内存存取，由专门的控制器完成

2.1 轮询方式流程

2.2 中断驱动I/O方式流程

3 缓冲技术

为了解决CPU与I/O设备之间速度不匹配的问题。凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

3.1 缓冲技术的实现

1 分类

缓冲区分类	实现机制
硬缓冲	由硬件寄存器实现
软缓冲	在内存开辟一个空间用作缓冲区

2 缓冲区管理

分类	实现
单缓冲
双缓冲
缓冲池	统一管理多个缓冲区，采用有界缓冲区的生产者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用

3 Unix的System V缓冲技术

设计理念

采用缓冲池技术：

• 缓冲区结合提前读和延迟写技术对就有重复性及阵发性I/O进程很有帮助
• 可以充分利用之前从磁盘读入、虽已传入用户区但仍在缓冲区的数据。

数据结构

缓冲池：由200个缓冲区组成，每个缓冲区包括两个部分：缓冲首部+缓冲数据区。

缓冲区由两种队列构成：

1、空闲缓冲区队列（av链）：队列头部为bfreelist

2、设备缓冲队列（b链）：链接所有分配给各类设备使用的缓冲区，按照散列的方式组织

每个缓冲区可以同时在av链和b链存在。开始时当缓冲区未被使用时在空闲av链。当开始I/O请求时，有缓冲区会被分配给I/O请求，此时这些缓冲区就会出现在设备I/O请求队列和设备b链。当I/O完成后，设备I/O请求队列中的缓冲区就会还给av链，此时缓冲区在av链和设备b链中都存在。

实现机制

当进程想从指定的盘读取数据时：

• 系统根据盘块号从设备b链中查找，如果找到，则将该缓冲区状态标记为“忙”，并从空闲av队列中取下，再完成从缓冲区到内存用户区的数据传送；
• 如果在设备b链中没有找到，则从空闲av链队首摘取一个缓冲区，插入设备I/O请求队列，并从原设备b链取下，插入到新的设备b链中（该新链由读入信息盘块号确定）；
• 当系统完成从缓冲区到内存用户区的数据传送后，要把缓冲区释放，链入空闲av链队尾；
• 当数据从磁盘块读入到缓冲区并传送到内存用户区之后，该缓冲区一直保留在原设备b链中，即它的数据一直有效。若又要使用它，则从空闲av链中取下，使用完后插入到空闲av链队尾。若一直未使用则该缓冲区从空闲av链慢慢升到队首，最后被重新分配。

4 I/O性能问题

• 减少或缓解速度差距—>缓冲技术
• 使CPU不等待I/O—>异步I/O
• 让CPU摆脱I/O操作—>DMA、通道

4.1 同步传输I/O流程

在I/O处理过程中，CPU处于空闲等待状态，而在处理数据的过程中，不能同时进行I/O操作。

4.2 异步传输I/O的基本思想

将访问控制分成两段进行；

发出读取指令后继续做其他操作；

当需要用读入的数据的时候，再使用wait命令等待其完成；

不引入线程切换，减少上下文开销的消耗。