【操作系统】第5章 输入/输出 (I/O) 管理

这是本人根据王道考研操作系统课程整理的笔记，希望对您有帮助。

第5章 输入/输出 (I/O) 管理

5.1 I/O管理概述

5.1.1 I/O设备的基本概念和分类

I/O设备的概念

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。

UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。

• Write操作：向外部设备写出数据
• Read操作：从外部设备读入数据

I/O设备的分类——按使用特性分类

• 人机交互类设备：数据传输速度慢
• 存储设备：数据传输速度快
• 网络通信设备：数据传输速度介于上述二者之间

I/O设备的分类——按传输速率分类

• 低速设备
• 中速设备
• 高速设备

I/O设备的分类——按信息交换的单位分类

• 块设备：传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块
• 字符设备：传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式
  

5.1.2 I/O控制器

I/O设备的机械部件

I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。

如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。

I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。

I/O设备的电子部件（I/O控制器）

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。

这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

I/O控制器的功能：

• 接受和识别CPU发出的命令
  • 如CPU发来的read/write命令，l/O控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数
• 向CPU报告设备的状态
  • I/O控制器中会有相应的状态寄存器用于记录I/O设备的当前状态。如：1表示空闲，0表示忙碌
• 数据交换
  • I/O控制器中会设置相应的数据寄存器。输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送设备。输入时，数据寄存器用于暂存设备发来的数据，之后CPU从数据寄存器中取走数据
• 地址识别
  • 类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读/写的是哪个寄存器

I/O控制器的组成

注意：

1. 一个I/O控制器可能会对应多个设备：
2. 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O;另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

两种寄存器编址方式

内存映射I/O：控制器中的寄存器与内存统一编址

寄存器独立编址：控制器中的寄存器独立编址

5.1.3 I/O控制方式

程序直接控制方式

CPU干预的频率：很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。

优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”）

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于“忙等”状态，CPU利用率低。

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中断驱动方式

CPU干预的频率：每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。

缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。

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DMA方式：直接存储器读取，Direct Memory Access

CPU干预的频率：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。

DMA控制器

优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。

缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。

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通道控制方式

通道：一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。

与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存。

CPU干预的频率：极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求cPU干预。

缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。

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总结

5.1.4 I/O软件层次结构

5.1.5 I/O核心子系统

I/O核心子系统要实现的功能就是中间三层要实现的功能。

用户层软件：假脱机技术（SPOOLing技术）

部分地方将假脱机技术（SPOOLing技术）归为设备独立性软件的服务，如408考研大纲。

设备独立性软件：I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理（缓冲与高速缓存管理）

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假脱机技术

脱机技术：脱离主机的控制进行的输入/输出操作。

引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带。

假脱机技术/SPOOLing技术：是用软件的方式模拟脱机技术。

SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备。

I/O调度

I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。

如：磁盘调度（先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LO0K算法）。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序。

设备保护

操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）。

在UNX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。（参考“文件保护”小节）

设备分配与回收

设备分配时应考虑的因素

• 设备的固有属性
  • 独占设备：一个时段只能分配给一个进程（如打印机）
  • 共享设备：可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用
  • 虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机）
• 设备分配算法
  • 先来先服务
  • 优先级高者优先
  • 短任务优先
  • ······
• 设备分配中的安全性
  • 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒。
    • 一个时段内每个进程只能使用一个设备
    • 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会死锁
    • 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作
  • 不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。
    • 一个进程可以同时使用多个设备
    • 优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进
    • 缺点：有可能发生死锁

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，运行结束后归还资源
  • 破坏了“请求和保持”条件，不会死锁
• 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源

设备分配管理中的数据结构

”设备、控制器、通道“之间的关系：

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。

控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理。

通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理。

系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。

设备分配的步骤

1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）。
2. 根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
3. 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
4. 根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。

缺点：

1. 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程。
2. 若换了一个物理设备，则程序无法运行。
3. 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待。

设备分配步骤的改进

1. 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（注：用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”）。
2. 查找SDT，找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表 (LUT) 中新增一个表项。
3. 根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
4. 根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
   

缓冲区管理

缓冲区的作用

1. 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制
3. 解决数据粒度不匹配的问题（如：输出进程每次可以生成一块数据，但I/O设备每次只能输出一个字符）
4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性
   

单缓冲

当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

利用单缓冲在两台机器间通信：

若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一时刻只能实现数据的单向传输。

双缓冲

利用双缓冲在两台机器间通信：

若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输。

循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。

缓冲池

• 输入进程请求输入数据
  • 从空缓冲队列中取出一块作为收容输入数据的工作缓冲区(hin)。充满数据后将缓冲区挂到输入队列队尾。
• 计算进程想要取得一块输入数据
  • 从输入队列中取得一块冲满输入数据的缓冲区作为“提取输入数据的工作缓冲区(sin)”。缓冲区读空后挂到空缓冲区队列。
• 计算进程想要将准备好的数据充入缓冲区
  • 从空缓冲队列中取出一块作为“收容输出数据的工作缓冲区(hout)”。数据冲满后将缓冲区挂到输出队列队尾。
• 输出进程请求输出数据
  • 从输出队列中取得一块冲满输出数据的缓冲区作为提取输出数据的工作缓冲区(sout)缓冲区读空后挂到空缓冲区队列。