《操作系统导论》学习笔记（十一）：I/O管理（持久化）

I/O设备

I/O 设备从信息交换的角度可分为块设备和字符设备：

• 块设备：以数据块为单位存储、传输信息，传输速率高且可寻址，硬盘是典型的块设备。
• 字符设备：以字符为单位存储、传输信息，传输速度低且不可寻址，键盘是典型的字符设备。

I/O层次

• 当用户需要读取外部设备的内容时，通过操作系统提供的 read 命令接口，从而经过用户级I/O软件
• 操作系统收到用户发出 read 命令，使用设备无关性软件进行解析并选择对应的I/O设备，从而经过设备无关系软件
• 不同类型的I/O设备对 read 命令的行为不同，需要针对不同的设备把命令解析成不同的指令，从而经过设备驱动程序
• 命令解析完毕后，需要中断正在执行的进程，转而执行 read 命令，这就需要中断处理程序
• 命令真正抵达硬件设备，硬件设备的控制器按照收到的命令进行I/O操作

1. I/O软件

用户级I/O软件：实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。

设备无关性软件：用户编写的程序可以访问任意I/O设备，无需事先指定设备，功能包括设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配等。

• I/O进程的设备无关性软件是逻辑I/O，将设备视为一个逻辑资源进行处理，允许进程根据设备标识符对设备执行打开、关闭、读和写指令的命令。
• 文件进程的设备无关性软件包括文件目录系统、存取控制模块、逻辑文件系统和物理文件系统以及辅助分配模块等。
  

设备驱动程序：上传软件发出的抽象I/O要求转换成具体的I/O指令和控制器指令，同时将设备控制器发来的信号传送给上级软件，可以使用缓冲技术提高使用率。

中断处理程序：用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进程处理，适用于程序中断方式I/O和DMA方式I/O。

2. I/O硬件

I/O硬件包括外部设备、接口、设备控制器和I/O总线等。

I/O端口：端口可分为物理端口和虚拟端口，I/O端口属于物理端口，是CPU与外部设备连接和数据交换的接口设备。外部设备侧接口称为控制器与设备接口，CPU侧接口称为CPU与控制器接口。

I/O端口地址：每个I/O端口都有相应的端口地址。端口地址的编址方式有 I/O独立编址和内存映像编址两种。.

I/O独立编址：分配给系统中所有端口的地址空间与内存的地址完全独立，使用专门的I/O指令对端口进行操作。如8086/8088 ，分配给I/O 端口的地址空间 64K ，0000H~0FFFFH，只能用 in 和out 指令进行读写数据。

I/O独立编址的端口地址与内存地址无关，需要设置专门的I/O总线接收和传输I/O信息。

内存映像编址：分配给系统中所有端口的地址空间与内存的地址空间统一编址，从整个内存空间中划出一个子空间给I/O端口，每一个I/O端口分配一个地址码，用访问存储器的指令对I/O端口进行操作。

内存映像编址的I/O端口地址属于内存地址，可以直接使用统一的系统总线接收和传输I/O信息。

设备控制器：
CPU和外设之间通常传递的信息包括数据、状态、控制，主机与接口和接口与I/O设备之间的信号联接线、数据地址线、控制状态信号线。

I/O控制逻辑负责地址译码、信号转换、硬件缓冲等功能 ，命令寄存器和命令译码器传送和转换I/O控制逻辑的命令，设备选择电路编译地址并识别不同的I/O设备，数据缓冲寄存器用于模拟数据格式转换和数据保存，设备状态标记反映设备状态供CPU使用。

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；在控制逻辑对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到内存中。

2. I/O控制方式

(1) 程序查询方式：计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读取一个字的数据时，CPU循环检查设备状态寄存器，直至确定该字已经在数据缓冲寄存器当中。


(2) 程序中断方式：I/O控制器从CPU接收一个读命令，从外围设备读数据到数据缓冲寄存器，然后通过控制线向CPU发出一个中断信号，CPU处理中断服务程序，实现I/O与主机之间的数据传送。


(3) DMA 方式： DMA控制器从CPU接收一个读命令，从外围设备读数据到数据缓冲寄存器，并根据内存地址寄存器(AR)将数据传输至内存，全部数据传输完毕则通过控制线向CPU发出一个中断信号，CPU处理中断服务程序结束I/O传输。

I/O技术

1. 缓冲区技术

目的：解决CPU 与I/O 设备之间速度的不匹配问题；提高CPU 与I/O并行性；减少了I/O 设备对CPU 的中断请求次数，放宽CPU对中断响应时间的要求

• 硬缓冲：由硬件寄存器实现（例如：I/O设备中的数据缓冲寄存器）
• 软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区，单缓冲、双缓冲和缓冲池
  

2. Spooling技术

I/O 设备从资源分配的角度可分为独占设备、共享设备：

• 独占设备：在一段时间内只能有一个进场使用设备，一般为低速I/O设备
• 共享设备：在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式使用设备，资源利用率高（硬盘）
• 虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备，提高设备利用率

输入缓冲区用于暂存输入设备送来的数据，以后再传送到输入井；输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。

输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容I/O设备输入的数据；输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据，井管理程序可以将输入井的数据调度到输出井当中。

Spooling技术特点

• 提高I/O速度：低速的I/O操作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备速度不匹配的矛盾。
• 将独占设备改造为共享设备。因为在SPOOLing系统的系统中，实际上并没为任何进程分配设备，而知识在输入井或输出井中为进程分配一个存储区和建立一张I/O请求表。这样，便把独占设备改造为共享设备。
• 实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这一设备，从而实现了设备的虚拟分配。