王道考研操作系统笔记（第五章）附：王道考研408所有PPT和思维导图
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操作系统笔记（第一章）.
操作系统笔记（第二章）.
操作系统笔记（第三章）.
操作系统笔记（第四章）.
操作系统笔记（第五章）.
第五章 输入输出管理（IO）
5.1 输入输出管理（IO）
5.1.1 IO设备的基本概念和分类
“I/O”就是“输入/输出”（Input/Output）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。
按使用特性分类
人机交互的外部设备
用于与计算机用户之间交互设备（打印机，鼠标，键盘）
交换速度相对较慢，以字节为单位进行数据交换
存储设备
用于存储程序和数据的设备（磁盘、磁带、光盘）
交换速度较快，以多字节组成的块为基本单位交换
网络通信设备
用于远程设备通信的设备（网络接口、调制解调器）
速度介于前两类之间
传输速率分类
低速设备：每秒进位几个字节到数百字节（鼠标、键盘）
中速设备∶传输速率为每秒数千字节至数万字节（行式打印机、激光打印机）
高速设备：传输速率在数百兆字节至千兆字节的一类设备（磁带机、磁盘机、光盘机）
信息交换单位分类
块设备：信息存取总是以数据块为基本单位，存储信息的设备称为块设备传输速率高，可寻址，可以任意读写某块
字符设备：用于数据输入输出的设备为字符设备，传输的基本单位是字符（交互式终端机，打印机）”传输速率低，不可寻址，输入输出时常采用中断驱动方式
5.1.2 IO控制器
5.1.3 IO控制方式
程序直接控制方式
计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据，对读入的每个字，CPU都要对外没状态进行循环检查，知道确定该字已经在I设备控制器的数据寄存器中。
读写单位：字
优点：容易实现，操作简单
缺陷∶CPU高速性和IO设备的低速性的矛盾（降低了CPU的利用率），CPU和IO设备只能串行工作
中断驱动方式
允许IO设备主动打断CPU的运行并请求服务，进而解放CPU，使其向IO控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作
读写单位∶字
优点∶比程序直接控制方式有效
缺点：数据的传输必须要经过CPU，仍然后消耗CPU的时间
DMA方式
在IO设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底解放CPU
读写单位：数据块
设备直接送入内存
只有当一个或多个数据块开始和结束的时候，CPU才会进行干预
命令/状态寄存器（CR）：用于接收CPU发送的IO命令和有关控制信息或者设备状态
内存地址寄存器（MAR）：数据直接在设备与内存之间交互
数据寄存器（DR）：用于暂存从设备到内存或者从内存到设备的数据
数据计数器（DC） ：存放本次要传送的字（节）数
通道控制方式
设置一个专门负责输入/输出的处理机（DMA方式的发展），实现对一组数块的读写以及相关控制和管理为单位干预
读写单位：一组块
优点：有效的提高了系统资源利用率
缺点：实现较为复杂
DMA与通道的区别
DMA需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置、而通道方式中这些信息是由通道控制的
DMA控制器对应一台设备与内存传递数据，通道可以控制多态设备与内存的数据交换
5.1.4 IO软件层次结构
用户层IO软件
实现与用户交互的接口，用户可以直接调用在用户层提供的，与IO操作有关的库函数，对设备进行操作
设备独立性软件
用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护、差错控制及设备分配与释放，同时为设备管理与数据传送提供必要的存储空间
设备独立性也称为设备无关性，使得应用程序独立于具体使用的物理设备（使用逻辑设备名）
使用逻辑设备名的好处：增加设备分配的灵活性；易于实现IO重定向
主要功能
执行所有设备的公有操作（设备的分配与回收，逻辑设备名映射为物理设备名，对设备进行保护，进制用户直接访问设备），屏蔽设备之间数据交换的速度差异等
向用户层（文件层）提供统一接口∶无论哪种设备，他们向用户提供的接口都是相同的
设备驱动程序
与硬件直接相关，负责实现系统对设备发出的操作命令，驱动IO设备工作的驱动程序
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行处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回被中断进程
硬件设备
IO设备通常包括一个机械部件和一个电子部件
5.1.5 IO核心子系统
IO子系统概述
主要提供IO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
IO调度概念
通过IO调度改善系统整体性能，使得进程之间公平共享设备访问，减少IO完成所需要的平均等待时间
使用主存或者磁盘上的存储空间的技术，如缓冲、高速缓存、假脱机等来改善计算机效率
5.1.6 假脱机技术
目的
缓解CPU 与IO的速度差异矛盾
要实现SPOOLing 技术，必须要有多道程序技术的支持
输入井和输出井
输入井用来收容IO设备的数据
输出井用来模拟输出时的磁盘
输入缓冲区和输出缓冲区
输入缓冲区：暂存由输入设备送来的数据
输出缓冲区：暂存从输出井送来的设备
输入进程和输出进程
输入进程∶模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区送到输入并中，当CPU需要数据，直接将输出井中的数据送入内存
输出进程：模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井中，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备
特点
提高了IO速度
独占设备变成了共享设备
实现了虚拟设备功能
通俗一点就是，如果设备被占用，我们就先把数据暂存一下，等到设备空闲了就把这些数据输送到设备中
5.1.7 设备的分配与回收
概述
―根据用户IO请求分配设备，原则：充分发挥设备的使用效率，避免进程死锁
设备类型分类
独占式使用设备设备只能互斥使用（打印机）
分时共享使用设备通过分时共享来提高设备的利用率
SPoOLing方式使用设备使用空间换时间，对IO设备进行批处理
设备分配的数据结构
- 设备控制表（DCT）
一个设备控制表表征一个设备，控制表中是设备的各项属性
- 控制器控制表（COCT）
COCT与DCT——对应关系，DCT需要一个表项来表示控制器，即一个指向控制器控制表的指针
- 通道控制表（CHCT）
CHCT提供服务的那几个设备控制器
- 系统设备表（SDT）
记录已经连接到系统中的所有物理设备的情况
设备分配的策珞
分配原则：充分发挥设备效率，避免进程死锁
分配方式
-
静态：系统—次性的把设备分配给相应作业，直到作业结束
优点∶没有死锁问题
缺点：降低了设备使用率
-
动态：进程执行过程中根据执行需要进行分配
优点：提高了设备利用率
缺点∶分配算法不当可能导致死锁
设备分配算法
先请求先分配类似于先来先服务
优先级高者优先
独占设备一般使用静态分配，共享设备一般使用动态分配
5.1.8 缓冲区管理
磁盘高速缓存
使用磁盘高速缓存技术可以提高磁盘的IO速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更高效
磁盘高速缓存，逻辑上属于磁盘，物理上属于驻留在内存中的盘块
在内存中的两种形式
在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定
把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘IO时共享
缓冲区
引入缓冲区的目的
缓和CPU与IO之间的速度差异矛盾
减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
解决基本数据单元大小不匹配的问题
提高CPU和IO设备之间的并行性
实现方法
采用硬件缓冲器〔成本过高），除了关键位置，一般不使用硬件缓冲器
采用缓冲区（位于内存区域）
分类
-
单缓冲
设备和处理机之间设置缓冲区，设备和处理机交换数据的时候，先把被交换的数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区中取走数据
使用时间max（ C，T）+M
-
双缓冲
设置两个缓冲区，当缓冲区1满时，向缓冲区2中注入数据，只有缓冲区满才能取出数据
提高了处理机和输入设备的并行操作程度
max（ C+M，T）
-
循环缓冲
包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中有一个链接指针指向下一个缓冲区，最后一个缓冲区指针指向第一个缓冲区，多个缓冲区构成一个环形
-
缓冲池
缓冲区分为三个队列，空缓冲队列，装满输入数据的缓冲队列，装满输出数据的缓冲队列
四种缓冲区：收容输入数据的工作缓冲区，提取输入数据的工作缓冲区，收容输出数据的工作缓冲区，提取输出数据的工作缓冲区
注意
管道通信中的“管道”其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道
高速缓存与缓冲区对比
相同点
都介于高速设备和低速设备之间
不同
-
存放数据
高速缓存：存放的是低速设备上的某些数据的复制数据
缓冲区：存放的是低速设备传递给高速设备的数据，这些数据在低速设备上不一定有备份，这些数据再从缓冲区传送到高速设备
-
目的
高速缓存∶高速缓存存放的是高速设备经常要访问的数据，如高速缓存中数据不在，高速设备就要访问低速设备
高速设备和低速设备的通信都要经过缓冲区，高速设备永远不会去直接访问低速设备
鸣谢
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