操作系统整理-第五章-输入/输出（I/O）管理

一、I/O管理概述

1.1 I/O设备

I/O设备类型多种多样，导致I/O设备管理成为操作系统管理最凌乱也最具有挑战性的一部分。
按使用特性可分为
1）人机交互类外部设备，用于计算机与用户之间的交互设备，如键盘和显示屏。
2）存储设备，用户存储数据的设备，如磁盘、U盘。
3）网络通信设备，与远程设备通信的设备，如各自网络接口、调制解调器等。

1. 按传输速率
   1）低速设备，每秒几字节到百字节，如键盘、鼠标等。
   2）中速设备，几千到几万字节的设备，如打印机、显示器等。
   3）高速设备，数十万到千兆字节的设备，如磁盘。
2. 按信息交换的单位分类
   1）块设备，数据存取以数据块为单位，如磁盘。
   2）字符设备，以字符为基本单位，如打印机。

1.2 I/O控制方式

1. 程序直接控制方式
   用显示的程序来控制数据的读写。
   
   实现简单，但是CPU要和不在一个数量级的I/O并行操作，导致CPU利用率很低。
2. 中断驱动方式
   运行I/O设备可以通过中断主动打断CPU，CPU给I/O设备控制器发送命令之后，其它时间就让CPU去忙。
   

问题在于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间传输都需要CPU的干预。
3. DMA方式
其基本单位不是一个字，而是数据块，仅在传输一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU的干预，整块的数据在传送过程中是在DMA控制器下完成的。

1）命令/状态寄存器（CR），用于记录CPU向I/O设备控制器发来的控制信息或设备状态。
2）内存地址寄存器（MAR），输入时，记录数据在设备的起始目标地址；输出时，记录数据在内存的源地址。
3）数据寄存器（DR），用于暂存设备到内存或内存到设备的数据。
4）数据计数器（DC），存放本次要传送的字节数。
该问题在于传输每一批数据前后都要CPU的干预。
4. 通道控制方式（小处理机）
I/O通道方式是DMA的发展，是指专门负责输入/输出的处理机。可以进一步减少CPU的干预。传多少数据在让CPU干预，数据放在那里？多设备同时控制，这都由小处理机通道来控制。
实现了CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，大大的提高了系统利用率。
当CPU要完成一组相关的读写时，只需像I/O通道发送一条I/O指令，其它的控制都交给通道控制，等数据传完时在中断CPU。
通道与一般的CPU的区别是，通道指令类型单一，没有自己的内存，和CPU共享内存。

1.3 I/O子系统的层次结构

二、I/O核心子系统

2.1 I/O子系统概述

管理各类设备的方法共同组成OS内核的I/O子系统，与内核其它方面独立。其I/O核心子系统提供的服务主要由I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。

2.2 I/O调度概念

目的就是为了使进程之间公平高效有序的对共享设备的访问，减少I/O完成所需要的平均等待时间。
原本有一个I/O请求队列，但是I/O调度会重新安排队列顺序，以改善系统的总体效率和应用程序的平均响应时间。

2.3 高速缓存与缓冲区

1. 磁盘高速缓存
   把数据预先存到介于CPU与内存之间的小容量高速存储器上，以提高CPU取指令或数据的速度。
2. 缓冲区
   用来缓冲CPU与I/O速度不匹配的问题，有单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池四种。
   单缓冲，一次只能读或写，一个在进行的时候，另一个就必须阻塞。设数据进入缓冲区时间为T，数据转移时间为M，数据处理时间为C，则用单缓冲区处理每块数据的用时为max（C,T）+M
   
   按照上面的规则，则双缓冲的用时为max（C+M，T）
   若M+C < T ，则可使块设备连续输入；反则CPU可不必等待设备输入。
   
   
   而循环缓冲是用一个循环链表表示，有两个指针in和out，in指针指向可以输入数据的第一个空缓区。out指针指向可以输出数据的第一个缓冲区
   缓冲池则有三个链表，4种缓冲区。空缓冲队列、装满输入数据队列、装满输出数据缓冲队列。
   
   3. 高速缓冲与缓冲区的对比
      

2.4 设备分配与回收

1. 设备分配概述
   合理公平高效的分配，让设备尽可能的忙，要避免死锁。
   1）独占式使用设备
   2）分时式共享使用设备
   3）以SPOOLing方式使用外部设备
2. 设备分配的数据结构
   这些数据结构通过指针一环套一环，注意下图。
   
   
3. 设备分配的策略
   在避免死锁的情况下，利用合理高效的设备分配算法（FIFO、优先级高优先等）来动态分配。
4. 设备分配的安全性
   1）安全分配方式，一旦进程请求I/O便进入阻塞态，不保持资源也不再请求其它资源，直到I/O完成才被唤醒。但是CPU与I/O是串行工作。
   2）不安全分配方式，需要一个请求一个，请求后继续运行，需要另一个I/O请求时，又请求，直到所请求的I/O在被的进程占用时。
   优点：一个进程同时操作多个设备，从而快速推进进程。缺点：可能产生死锁。

2.5 SPOOLing技术（假脱机技术）

为了解决CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，引入脱机技术。将独占设备看似改造成共享设备的技术。
在磁盘上开辟输入井和输出井，然后自动一个进程一个进程的I/O任务完成。
如用户A和B同时操控打印机，而OS将两个任务放在磁盘的井中，然后通过井中的数据一个进程一个进程的I／O任务自动有序运行。
内存中的数据传到输出井，外设的数据传到输入井。