一、I/O设备的概念和分类

I/O即为 输入/输出（input / output）

I/O设备：将数据输入/数据计算机的设备

①使用特性分类：人机交互类设备、存储设备、网络通信设备

②按传输速率分类：低速(键鼠)、中速(打印机)、高速(移动硬盘)

③按信息交换单位分类：块设备(移动硬盘)、字符设备(键鼠)

二、I/O控制器

作为CPU和I/O设备机械部件之间的中介，用于实现CPU对I/O设备的控制。

1.I/O控制器的主要功能

①接收和识别CPU发出的命令：I/O控制器中有控制寄存器用于存放命令和参数

②向CPU报告设备的状态：I/O控制器中有状态寄存器用于记录I/O设备当前状态

③数据交换：I/O控制器中有数据寄存器用于暂存CPU和I/O设备之间的数据

④地址识别：CPU控制不同寄存器

2.I/O控制器的组成

①CPU与控制器的接口 ②I/O逻辑 ③控制器与设备接口

一个I/O控制器可能对应多个设备；寄存器可能存在多个，为了便于CPU操作，系统会才去以下方法对其编址：①内存映像I/O ②寄存器独立编址

3.I/O控制方式

①程序直接控制方式

Ⅰ在等待I/O完成的过程中，CPU需要不断地轮询检查（会频繁占用CPU）

Ⅱ每次读/写都是一个字

Ⅲ数据会先经过CPU再写入内存/输出I/O设备

Ⅳ优点：实现简单

缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙碌状态，CPU利用率低

②中断驱动方式

ⅠCPU会在每个指令末尾检测中断，每次中断会读入一个字的数据

Ⅱ中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境（需要一定开销，频繁中断会降低系统性能）

Ⅲ数据会先经过CPU再写入内存/输出I/O设备

Ⅳ优点：CPU不再需要轮询，CPU可以与I/O设备并行工作，提升了CPU的利用率

缺点：每次仅能传送一个字，频繁中断会降低系统性能

③DMA方式

DMA：直接存储器存取，做出了以下改进

Ⅰ数据传输单位变为了块（一次只能读取连续的块）

Ⅱ数据不再需要先经过CPU而是直接写入内存/输出设备

Ⅲ进一步降低CPU干预率

优点：进一步提升了数据传输效率，降低了CPU介入率

缺点：CPU每次发出一条I/O指令只能读/写一个/连续多个数据块

DMA控制器：

④通道控制方式

通道：一种硬件，可以识别和执行一系列的通道指令

通道仅能识别一些单一的指令，且与CPU共享内存

ⅠCPU占用率极低

Ⅱ每次读/写一组数据块

Ⅲ数据不再需要先经过CPU而是直接写入内存/输出设备

Ⅳ优点：CPU、通道、I/O可以并行工作，系统资源利用率高

缺点：实现复杂，需要专门的硬件支持

三、I/O层次

1.软件层次

层次	功能
用户层软件	实现与用户交互的接口，为用户提供相关的库函数
设备独立性软件	向上提供系统调用接口实现设备保护（权限控制）差错处理设备的分配和回收数据缓冲区管理建立逻辑设备名到物理设备名直接的映射(逻辑设备表LUT)
设备驱动程序	负责对硬件进行具体控制（由厂家设计）驱动程序在系统中会以独立进程的方式存在
中断处理程序	处理设备中断信号
硬件	执行具体I/O操作

2.I/O核心子系统

①I/O调度

用某种算法确定一个顺序来处理I/O请求，于设备独立性软件层实现

如先来先服务算法、优先级算法、短作业优先算法等

②设备保护

设备有时被视为特殊的文件，以文件保护的方式为其提供访问权限控制。于设备独立性软件层实现

③假脱机技术

SPOOLing技术，实际是由软件模拟脱机技术，于用户层软件实现。

系统会建立输入井和输出井用以存放数据，同时以一个输入进程和一个输出进程来模拟外围控制机。

④设备分配与回收

于设备独立性软件层实现

1.设备分配时考虑的因素：

设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备

设备分配算法：略

设备分配中的安全性：安全分配方式（占用时会阻塞，所以不会导致死锁；但是会导致CPU和I/O设备只能串行工作） 不安全分配方式（进程不会被阻塞，会提升资源利用率，但是可能导致死锁）

2.设备分配方式

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，不会产生死锁

动态分配：进程运行过程中动态的申请资源

3.分配管理中的数据结构

设备控制表（DCT）：每个设备一张，用于记录设备情况，包含以下字段：设备类型、设备标识符（物理设备名）、设备状态、指向控制器的指针、重复执行次数或时间（重复执行多次后不成功才能认定此次I/O失败）、设备队列的队首指针（用于指向此时正在等待此设备的进程队列）

控制器控制表（COCT）：每个控制器配置一张，操作系统通过此表的信息对控制器进行管理，包含以下字段：控制器标识符（唯一ID）、控制器状态、指向通道表的指针（由此指针找到更多通道信息）、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针（指向正在等待该控制器的进程队列）

通道控制表（CHCT）：每个通道对应一张，操作系统通过此表的信息对通道进行管理，包含以下字段：通道标识符（唯一ID）、通道状态、与通道连接的控制器表首地址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针

系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况

4.设备分配的具体步骤

①根据物理设备名查找SDT

②根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程挂到等待队列上；不忙碌则直接分配

③根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程挂到等待队列上；不忙碌则直接分配

缺点：编程时需要使用物理设备名；若更换了物理设备程序将无法运行；即使有同类型的设备空闲进程依旧会被阻塞（指定一个）

改进：建立逻辑设备名与物理设备名之间的映射（在操作系统中建立逻辑设备表LUT）

⑤缓冲区管理

于设备独立性软件层实现

缓冲区可以由专门的硬件缓冲区构成（速度快、成本高、容量小），也可以由内存充当缓冲区（需要软件对其进行管理）

作用：1.缓和CPU与I/O设备之间不匹配的矛盾

2.减少对CPU的中断频率

3.解决数据粒度不匹配的问题（如产生块输出字）

4.提高CPU和I/O之间的并行性

分类：

1.单缓冲：操作系统在主存中为其分配一个缓冲区。缓冲区非空时，不能充入数据，只能传出数据；缓冲区为空时可以充入数据，但是必须充满后才能传出数据。

2.双缓冲：系统为其在主存中分配两个缓冲区，适用于用户进程连续从设备读取若干数据。

3.循环缓冲区：将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环缓冲区。

4.缓冲池：由系统中共用的缓冲区组成，按使用情况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）

同时根据缓冲区的实际使用情况可以分为：用于收容输入数据的工作缓冲区(hin)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sin)、用于收容输出数据的工作缓冲区(out)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sout)

缓冲池工作时，会从队列中取出合适的缓冲区，将其装载到缓冲池中，完成工作后再放回合适的队列中。

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