操作系统（五）——I/O管理

image.png

I/O管理主要通过对设备状态跟踪对设备存取数据、设备分配、及设备控制进行管理。

（一）I/O管理概述

1. I/O设备分类

印象中的I/O设备可能有，键鼠、打印机，但它们只是I/O设备中的一部分，在计算机中的磁盘、光盘以及用于网络连接的各类接口同样也是属于I/O设备。

image.png

2. I/O控制方式

外部设备输入输出的数据都需要存放在内存上，再传递给用户，而这个过程需要CPU的参与，根据CPU参与程度不同，可以分为4种控制方式：程序直接控制方式、中断驱动方式、DMA方式和通道方式。

• 程序直接控制方式：计算机从外设读取数据到寄存器，每次只读一个字的数据，对于每个字节，CPU都要进行循环检查，直到确定该字已经读到I/O控制器的数据寄存器中。

  
  
  image.png

• 中断驱动方式：在程序直接控制方式中，CPU循环检查数据是否读入，而中断驱动方式中，将CPU循环检查工作交给I/O控制器完成，CPU只需给I/O控制发送读命令，就可以去执行其他指令，由I/O控制器自行将数据读到数据寄存器中，完成读取任务后给CPU发出中断指令。当CPU接收到中断指令，便保存当前正在运行程序的上下文，去执行该中断，将I/O控制器中的数据送到寄存器，并存入到主存。

image.png

• DMA方式：中断驱动方式每完成数据读取工作，都要打断CPU，由CPU将数据传输到主存。DMA方式则优化这一过程，直接由DMA控制器把数据传输到主存中去。CPU只在传输数据块的开始和结束时才进行干预。

  
  
  image.png

工作流程：

image.png

• 通道方式：DMA方式在工作流程上大幅度释放CPU，但是这种方式还需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置，为了将CPU从这些繁琐的工作中释放处理，有了通道方式。I/O通道是专门负责输入输出的处理机，当CPU要完成一组读写操作时，只需要给I/O通道发出一条I/O指令，给出要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备，通道接收到该指令后，执行完I/O任务，也就是完成数据传输，才给CPU发送中断请求。

3. I/O层次结构

数据从用户到设备并不是一步完成，中间需要通过几层结构，这样不仅可以保持用户应用独立性，也有方便屏蔽一些系统内部细节。

image.png

设备控制器的工作流程：

1. 用户读取某设备内容 -> 使用操作系统提供的read命令接口 -> 解析read命令 （应用软件和设备独立软件）
2. 根据设备不同，将read命令解析成不同的指令 （设备驱动）
3. 命令解析完毕 -> 发出中断 -> 设备控制器执行read命令 （中断处理程序）
4. 硬件设备上的控制器根据上层命令操作硬件设备

（二）I/O核心子系统

由于常用设备繁多，需要为不同设备提供不同的控制方法，这往往会增加I/O管理的工作量，因此将一些公用操作或常用操作组成一个子系统，这些操作有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机及设备保护和差错控制等。

1. I/O调度

当有多个设备需要对计算机进行读写数据时，需要为这些设备提供请求队列实现调度，设备不同，使用的调度实现的方式略有不同，常见的调度算法是的磁盘调度算法。

image.png

2. 缓冲区

I/O读写速度远慢于CPU处理速度，为了解决速度不匹配的问题，采用缓存方法。
常见的缓存是磁盘高速缓存，是磁盘与内存之间的缓存区域，它位于内存，要么从内存开辟一块单独的固定区域作为缓冲，要么是把没有利用到的内存作为一个缓冲池。
设备缓存区的缓冲区也位于内存区域，它的特点是：当缓存区的数据非空时，不能往缓冲区内冲入数据，只能从缓冲区内把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但只能在缓存区充满后，才能从缓冲区把数据传出。

根据缓冲区个数不同可以分为：单缓冲、双缓冲、循环缓冲和缓冲池。

2.1 单缓冲

单缓冲的缓冲区域位于设备与处理机之间，当设备与处理机交换数据时，先把被交换的数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或者处理机再从缓冲区内取数据，先输入再输出。

image.png

输入时间（T），处理数据时间（C），传送数据时间（M）

1. 当T>C时，单缓冲区处理每块数据的时间为M+T；
2. 当T

2.2 双缓冲

单缓冲方式存在等待方，为了提供读取数据效率，采用双缓冲，两个缓冲区域可以并行工作，当其中一个被处理机读取数据时，另一个由设备向缓冲区输入数据。

image.png

输入时间（T），处理数据时间（C），传送数据时间（M）
缓冲区处理一块数据的用时为：max(C+M, T)

2.3 循环缓冲

循环缓冲是将缓存区域划分为大小相当的多个缓冲区域块，每个缓冲区域块都有指向下一个缓冲区块的指针，此外还有in和out两个指针分别用于数据输入和输出。
每次输入时使用in指针向可以输入数据的第一个空缓存区输入，而要读取数据时，使用out指针从第一个满的缓冲区提取数据。

image.png

2.4 缓冲池

缓存池里有多个缓存区，这些缓存区根据它们的使用情况分为了三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓存队列（输入队列）和装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。

image.png

1. 输入数据时：空缓存队列的队首摘下空缓冲区 -> 在hin区输入数据 -> 输满后挂到输入队列队尾；
2. 计算进程输入数据时：从输入队列提取缓冲区块 -> 在sin区提取数据 -> 数据用完后挂入空缓存队列；
3. 计算进程输出数据时：空缓存队列的队首摘下空缓冲区 -> 在hout区输入数据 -> 输满后挂到输出队列队尾；
4. 输出数据时：从输出队列提取数据 -> 在sout区提取数据 ->数据用完后挂入空缓存队列；

image.png

image.png

3. 设备分配

CPU根据用户的I/O请求分配设备，并且尽可能将设备忙碌，又要避免因设备分配不合理造成进程死锁。因此使用记录表记录每个设备分配情况，并且制定相应的分配策略，保证设备能够安全使用避免死锁发生。

3.1 设备分配的数据结构

进程管理使用PCB管理进程，文件管理使用FCB管理文，同样设备管理也需要建立类似的表管理设备，但是由于设备读写涉及到操作系统、控制器和通道，因此需要建立多个表，依次有系统设备表（SDT）、设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）和通道控制表（CHCT）。

• SDT：整个系统只有一张，用于记录系统中全部设备的情况，是系统范围的数据结构；
• DCT：每个设备一张，记录本设备的情况；
• COCT：每个控制器一张，记录本控制器的情况；
• CHCT：每个通道一张，记录通道情况。

它们之间通过如下顺序依次进行访问：
SDT -> DCT -> COCT -> CHCT

设备分配总结起来就是：设备分配过三关：设备可用、控制器可用和通道可用

3.2 设备分配的策略

设备分配方式有静态分配和动态分配两种。

• 静态分配：主要用于独占设备的分配，如打印机。由系统一次性分配该作业需要的全部设备、控制器等，一旦分配，将一直被该作业占用，直到作业完成。

• 动态分配：在进程执行过程中根据执行需要进行。

3.3 设备分配的安全性

设备分配的安全性指的是是否会发生死锁。

• 安全分配方式：当进程发出I/O请求后进入阻塞状态，直到完成才被唤醒。这种工作方式是CPU与I/O设备串行工作，预防了死锁的发生。

• 不安全分配方式：进程在执行过程中根据需求发出I/O请求。也意味着一个进程可以同时操作多个设备，提高工作效率，但容易造成死锁。

3.4 逻辑设备名到物理设备名的映射

用户使用设备时通过使用逻辑设备名来调用物理设备，因此建立一张表来查找从逻辑设备名到物理设备名的映射——逻辑设备表（LUT）。

image.png

4. 虚拟设备技术

除了使用缓存区来解决CPU与I/O设备速度不匹配问题外，可以使用虚拟设备技术（SPOOLing），主要是利用外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上。常用于共享打印机。

image.png