操作系统之输入输出管理

操作系统中的输入输出（I/O）管理主要涉及I/O设备的分配、控制以及数据的传输。以下是对操作系统中I/O管理的详细解释：

一、I/O设备

I/O设备是计算机中用于数据输入和输出的外部设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。这些设备按照不同的分类标准可以分为多种类型，如按使用特性分为人机交互类设备、存储设备和网络通信设备；按传输速率分为低速设备、中速设备和高速设备；按信息交换的单位分为块设备和字符设备等。

二、I/O控制器

由于CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此在CPU和I/O设备之间引入了一个电子部件，即I/O控制器（也称设备控制器）。I/O控制器负责接受和识别CPU发出的命令，向CPU报告设备的状态，并实现数据交换。CPU通过控制线、地址线和数据总线与I/O控制器进行通信。

三、I/O控制方式

I/O控制方式是指CPU与I/O设备之间进行数据传输的方法，主要包括以下几种：

1、程序直接控制方式：CPU通过程序直接控制I/O设备的读写操作。这种方式下，CPU需要不断轮询I/O设备的状态，造成CPU资源的极大浪费。

2、中断驱动方式：当I/O设备完成数据传输后，向CPU发出中断信号，CPU在检测到中断信号后进行中断处理。这种方式提高了CPU的利用率，但每次只能传输一个字，导致CPU频繁切换。

3、DMA（直接存储器存取）方式：DMA方式在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，由DMA控制器负责数据传输。这种方式下，CPU只需在数据传输开始和结束时进行干预，大大提高了数据传输效率。

4、通道控制方式：通道是一种特殊的硬件，可以识别并执行一系列通道指令。通道控制方式下，CPU将数据传输的任务交给通道去完成，通道根据通道程序控制I/O设备进行数据传输。这种方式进一步解放了CPU，提高了系统的并行处理能力。

四、I/O软件层次结构

I/O软件层次结构主要包括用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序等。

1、用户层软件：提供了与用户交互的接口，用户可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。

2、设备独立性软件：实现了用户程序与设备驱动器的统一接口，提供了设备命令、设备保护、设备分配与释放等功能。设备独立性使得应用程序独立于具体使用的物理设备。

3、设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作。

4、中断处理程序：当I/O设备完成数据传输后，I/O控制器会发送一个中断信号，系统根据中断信号类型找到相应的中断处理程序执行。

五、I/O核心子系统

I/O核心子系统提供了I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机（SPOOLing）等技术。

I/O调度：确定一个好的顺序来执行I/O请求，以提高系统的吞吐量和响应时间。
缓冲与高速缓存：通过缓冲和高速缓存技术减少I/O操作的延迟和提高数据传输效率。
设备分配与回收：根据用户的I/O请求分配和回收设备资源，确保设备的有效利用和避免冲突。
假脱机技术：用软件的方式模拟脱机技术，将独占设备改造为虚拟的共享设备，实现设备的并发利用。