操作系统学习笔记（6. IO管理）

个人用书：操作系统教程 第五版 费翔林
学习视频： 王道计算机考研 操作系统.

I/O设备的基本概念和分类

I/O代表输入输出。

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者接收数据的外部设备。（鼠标，键盘，显示器，u盘）

UNIX系统把外部设备抽象为文件，用户可以使用与文件操作相同的方式操作外部设备。eg：显示器read 键盘write

i/o设备的分类：按使用特性

• 人机交互外部设备：数据传输慢
• 存储设备：数据传输速度快
• 网络通信设备：数据传输介于上述二者之间

i/o设备的分类：按速度

• 低速：鼠标键盘，每秒几个到几百字节
• 中速：打印机，每秒数千数万字节
• 高速：磁盘等，每秒数千到千兆字节

i/o设备分类：按信息交换的单位

• 块设备：磁盘等，速率高，可以寻址
• 字符设备：鼠标键盘，速度低，不可寻址

I/O控制器

• I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。
• 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。

CPU无法直接控制机械部件，因此需要一个 电子部件 作为中介。这个电子部件就是 i/o控制器 又叫 设备控制器。

i/o控制器的功能：

1. 接收和识别CPU发出的命令，由控制寄存器存放命令和参数
2. 向CPU报告设备的状态，状态寄存器记录设备状态
3. 数据交换，数据寄存器
4. 地址识别，根据内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，需要给每个寄存器设置一个特定的地址。i/o设备通过cpu提供的地址判断cpu要读写的是哪个寄存器

i/o控制器的组成

• CPU与控制器的接口：实现CPU与设备的直接的通信。控制线发出命令，地址线指明设备，数据线输入输出数据。
• I/O逻辑：负责接收和识别CPU的各种命令，并负责对设别发出命令。
• 控制器与设备的接口：实现控制器和设备直之间的通信。

几个细节：

1. 一个i/o控制器可能对应多个设备。
2. 数据，控制，状态寄存器可能有多个。有的计算机让这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O，另一些计算机采用I/O专用地址，寄存器独立编址

内存映像i/o vs 寄存器独立编址

内存映像：控制器中的寄存器与内存地址统一编址

寄存器独立编址：控制器中的寄存器单独编址。这个时候需要专门的指令实现对控制器的操作，需要指明寄存器编址和设备的编号。

I/O控制方式

注意以下：

1. 完成一次读写操作的流程
2. CPU干预的频率
3. 数据传送的单位
4. 数据的流向
5. 缺点和优点

###程序直接控制方式
Key word：轮询

流程：

1. CPU向控制器发出读指令，设备启动，状态寄存器设置1（未就绪）
2. CPU不断的循环检查，若状态一直是1，则没准备好
3. 输入设备准备好数据传给控制器报告状态
4. 控制器把数据放入数据寄存器，状态寄存器设置0
5. CPU发现设备已经就绪，将数据寄存器里面的内容读入CPU，如何放入内存

CPU干预的频率：很频繁，从I/O开始到完成CPU要一直轮询检查

数据传输每次一个字

数据流向：

• 读：I/O设备——CPU——内存

• 写：内存——CPU——I/O设备

  优点：实现简单
  缺点：只能CPU和io设备只能串行工作

中断驱动方式

相比于 程序直接控制方式 ，增加了中断机制。在CPU发出命令后，让I/O进程阻塞，等到I/O完成后控制器发出中断信号，CPU开始I/O进程的运行。

CPU干预：低了很多，在开始和完成后介入

数据流向：

• 读：I/O设备——CPU——内存

• 写：内存——CPU——I/O设备

  优点：CPU和I/O可以并行操作，CPU利用率提升
  缺点：数据传输必须经过CPU，频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间

DMA方式（直接存储器存取）

与中断驱动相比有以下改进：

1. 数据传输单位是 块，不再是一个字
2. 数据的流向是设备直接进入内存，不需要经过CPU
3. 只在传送一个或多个数据块开始或结束才需要CPU

DMA控制器：由 主机控制器接口，I/O逻辑，块设备-控制器接口。

CPU干预：很少

数据传送单位：块

数据流向：

• 读：I/O设备——内存

• 写：内存——I/O设备

  优点：CPU介入频率进一步降低，数据以块为单位
  缺点：CPU每发出一条指令，只能读取一个或多个连续块

通道控制方式

通道：一种硬件，弱鸡版的CPU。通道可以识别一系列通道指令。

与CPU相比，通道执行的指令单一，通道放在主机内存中，与CPU共享内存。

流程：

1. CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，指明要操作的是哪个I/O设备，CPU可以切换到其他进程
2. 通道执行内存中的通道程序（读写多少数据，内存位置）
3. 执行完后向CPU发出中断指令

CPU干预频率：很低

数据传送单位：块

数据流向：

• 读：I/O设备——内存

• 写：内存——I/O设备

  优点：CPU，通道，I/O设备并行
  缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

I/O软件层次结构

越上的层次越接近用户，某层会利用其下层提供的服务，实现某些功能屏蔽细节。

用户层

实现了与用户交互的接口，用户可以直接使用该层提供的，与i/o操作相关的库函数对设备进行操作

设备独立性软件

用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过系统调用请求OS服务

设备独立性软件：又称设备无关性软件。
主要实现的功能：

1. 向上层提供系统调用
2. 设备的保护
3. 差错处理
4. 设备的分配与回收
5. 数据缓冲区管理
6. 建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系，根据设备类型选择调用相应的驱动程序

设备驱动程序

主要负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令转换成特定设备的一系列操作。

中断处理程序

当I/O任务完成时，I/O控制器会发出一个中断信号，系统根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执。

I/O核心子系统

设备独立性软件+设备驱动程序+中断处理程序

属于OS的内核部分，称为I/O核心子系统。需要提供的功能：

1. I/O调度
2. 设备保护
3. 设备分配与回收

以上都有讲过

SPOOLing技术（假脱机技术）

脱机技术：脱离主机的控制进行的I/O操作

引入了脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。即使CPU忙碌，也可以将数据输入到磁带。

假脱机技术，也称SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术。

• 输入缓冲区：暂时存从输入设备输入的数据
• 输出缓冲区：暂存从输出井传来的数据

输入缓冲区 和 输出缓冲区 是在内存中的缓冲区。

共享打印机原理分析

• 独占式设备——只允许各个进程串行使用的设备。
• 共享设备——允许多个进程同时使用（微观上可能是交替的）。

当多个用户提出输出打印的要求，系统会答应请求，但是不是真的分配打印机。脱机管理程序会做两件事：

1. 在磁盘输出井申请空闲缓冲区，把数据放入
2. 为用户进程申请空白打印请求表，把用户的打印请求填入，表单挂到脱机队列

虽然只有一个打印机，但是每个进程提出请求，系统都会分配存储器，使每个进程都觉得自己使用了打印机。