文章目录

IO设备基本概念
- 按照特性分类
- 按传输速度分类
- 按信息交换的单位分类
IO控制器
- IO控制器的组成
- 内存映像I/O与寄存器独立编制的对比
- 总结
IO控制方式
- 程序直接控制方式
- 中断驱动方式
- DMA控制方式
- - DMA控制器
- 通道控制方式
- 总结
I/O软件层次结构
- 用户层软件
- 设备独立性软件
- 设备驱动程序
- 中断处理程序
I/O核心系统
- 假脱机技术
- I/O调度
- 设备保护
设备的分配与回收
- 静态分配和动态分配
- 设备分配管理中的数据结构
- - 设备控制表
  - 控制器控制表
  - 通道控制表
  - 系统设备表
  - 设备分配步骤
  - 设备分配步骤的改善
- 总结
- 缓冲区管理
- - 单缓冲区
  - 双缓冲区
  - 使用单/双缓冲在通信时的区别
  - 循环缓冲区
  - 缓冲池
- 总结

IO设备基本概念

按照特性分类

人机交互类外设:鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互（慢）
存储设备:移动硬盘、光盘等——用于数据存储（速度适中）
网络通信设备:调制解调器等——用于网络通信（最快）

按传输速度分类

低速设备：鼠标键盘等——速度每秒几到几百字节
中速设备：激光打印机等，速度每秒几千到几万字节
高速设备：磁盘，每秒数千到千兆字节

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

块设备:如磁盘等――数据传输的基本单位是“块”

字符设备:鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符

IO控制器

I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作，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。

IO控制器就像一个放在IO电子部件和机械部件之间的中介，实现cup对设备的控制。cup可控制IO控制器，由IO控制器来控制设备的机械部件。

接收识别命令：如CPU发来的read/write命令，I/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：/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

IO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。

内存映像I/O与寄存器独立编制的对比

总结

IO控制方式

程序直接控制方式

完成一次读操作

完成一次读写操作的流程

CPU干预的频率
很频繁，l/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。
数据传送的单位：字
数据的流向
读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存
写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备
每个字的读/写都需要CPU的帮助
优缺点
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。

中断驱动方式

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。

注意:
① CPU会在每个指令周期的末尾检查中断;
② 中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

完成一次读/写操作的流程

CPU千预的频率
每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。等待l/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
数据传送的单位：字
数据的流向
读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存
写操作（数据输出）：内存→CPU→>I/o设备
优缺点
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。

DMA控制方式

与中断驱动方式相比，DMA方式( 直接存储器存取)主要用于块设备的I/O控制。
有这样几个改进:
① 数据的传送单位是“块”。不再是字
② 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。
③ 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。

大致流程：

DMA控制器

一系列寄存器

DR (数据寄存器， Data Register）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
MAR(内存地址寄存器，Memory Address Register)：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置;输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
DC(数据计数器，Data Counter)：表示剩余要读/写的字节数。
CR (命令/状态寄存器，Command Register)：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。

完成一次读/写操作的流程

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。
数据传送的单位：块
（注意：每次读写的只能是连续的多个块且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的)
数据的流向（不再需要经过CPU)
读操作（数据输入）：I/O设备→内存
写操作（数据输出）：内存→>I/O设备
优缺点
优点：数据传输以“块”为单位，CPJ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。
如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

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

完成一次读/写操作的流程（见右图)

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千预。
数据传送的单位：数据块
数据的流向（在通道的控制下进行)
读操作（数据输入）：I/O设备→内存
写操作（数据输出）：内存→I/O设备
优缺点
优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

总结

I/O软件层次结构

分为五层

每一层会利用其下层提供的服务，实现某些功能，并屏蔽实现的具体细节，向高层提供服务(“封装思想”)

用户层软件

Windows操作系统向外提供的一系列系统调用，但是由于系统调用的格式严格，使用麻烦，因此在用户层上封装了一系列更方便的库函数接口供用户使用( Windows API)

设备独立性软件

设备独立性软件，又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。

主要实现的功能:

向上层提供统一的调用接口(如read/write系统调用）
设备的保护
原理类似与文件保护。设备被看做是一种特殊的文件，不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。
差错处理
设备的分配与回收
数据缓冲区管理
可以通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异
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
- 逻辑设备名：用户或用户层软件发出I/o操作相关系统调用的系统调用时，需要指明此次要操作的/O设备名（eg:去学校打印店打印时，需要选择打印机1/打印机2/打印机3，其实这些都是逻辑设备名)
- 物理设备名：设备独立性软件需要通过“逻辑设备表（LUT）”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序
  两种方式管理逻辑设备表（LUT) :
  第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此这种方式只适用于单用户操作系统。
  第二种方式，为每个用户设置一张LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中。

设备驱动程序

不同设备的内部硬件特性也不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作

注意：驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在

为什么不同的设备需要对应不同的驱动程序表？
因为不同设备对应的硬件特性是不一样的，需要执行不同的驱动程序，才能正常执行

中断处理程序

当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。中断处理程序的处理流程如下:

中断处理程序和设备驱动程序都会直接和硬件打交道

I/O核心系统

假脱机技术

脱机技术就是指脱离主机的控制，进行输入输出的操作。

在使用纸袋机的时候，CPU要迁就纸带机的速度。
在外围控制机的控制下慢速输入设备的数据先，被输入到更快速的指代上之后，主机可以从快速的磁带上读录数据，从而缓解速度的矛盾。
引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速io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

假脱机技术是指用软件的方式模拟脱机技术，假脱机技术又称SPPOLing技术

输入进程模拟，脱机输入时的外围控制机。
输出进程模拟，脱机输出时的外围控制机。
必须要有多道程序技术的支持，系统会建立输入进程和输出进程。

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-LOOK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。
同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定V/o调度顺序。

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UNIx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)

设备的分配与回收

设备的固有属性可分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备。

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）

从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式:

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。（考虑进程请求打印机打印输出的例子)
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（死锁避免、死锁的检测和解除)

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，不会发生死锁
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

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

注：“进程管理”章节中曾经提到过“系统会根据阻塞原因不同，将进程PCB挂到不同的阻塞队列中”

控制器控制表

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

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

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。

注︰只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可后动I/O设备进行数据传送

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

改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名

设备分配步骤的改善

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。

逻辑设备表（LUT）建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。

某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型（逻辑设备名)）查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项。

如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备，则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。

逻辑设备表的设置问题:
整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统

总结

缓冲区管理

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。
使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的联想寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本)
一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区

单缓冲区

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）。
注意：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。

题型:计算每处理一块数据平均需要多久?
技巧:假定一个初始状态，分析下次到达相同状态需要多少时间，这就是处理一块数据平均所需时间。
在“单缓冲”题型中，可以假设初始状态为工作区满，缓冲区空。

双缓冲区

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块)
双缓冲题目中，假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空假设T>C+M
处理一块数据的平均用时=T

采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为Max(T, C+M)

使用单/双缓冲在通信时的区别

两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接受。

显然，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。