5.1.1 I/O设备基本概念和分类

5.1.2 I/O控制器

一、什么是 I/O控制器

二、I/O控制器の功能

三、I/O控制器の组成

♥值得注意的小细节:

（1）内存映射I/O

（2）寄存器独立编址

5.1.3 I/O控制方式

一、程序直接控制方式

二、中断驱动方式

三、直接存储器存取DMA

四、通道控制方式

5.1.4 I/O软件层次结构

一、用户层软件

二、设备独立性软件 / 设备无关性软件

三、设备驱动程序

四、中断处理程序

5.1.5 I/O核心子系统

5.1.6 假脱机技术SPOOLing

一、脱机技术

二、假脱机技术SPOOLing

1、输入井、输出井 --- 模拟磁带

2、输入进程、输出进程

3、输入缓冲区、输出缓冲区

三、假脱机技术的应用 --- 共享打印机

5.1.7 设备的分配与回收

5.1.1 I/O设备基本概念和分类

一、什么是 I/O设备

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备

属于计算机中的硬件部件

二、按使用特性分类

（1）人机交互类外部设备（鼠标、键盘、打印机）：数据传输速度慢

（2）存储设备（光盘）：数据传输速度快

（3）网络通信设备（调制解调器）：数据传输速度中

三、按信息交换的单位分类

（1）块设备（磁盘）：数据传输的基本单位是“块”

传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块

（2）字符设备（鼠标、键盘）：数据传输的基本单位是字符

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

5.1.2 I/O控制器

一、什么是 I/O控制器

（1）I/O设备分为机械部件and电子部件，CPU无法直接控制l/O设备的机械部件

（2）因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之间的“中介”，实现CPU对设备的控制

（3）这个电子部件就是l/O控制器/设备控制器

CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件

二、I/O控制器の功能

1、接受、识别CPU发出的命令

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

2、向CPU报告设备的状态

I/O控制器中会有相应的状态寄存器,用于记录l/O设备的当前状态；如:1表示空闲，0表示忙碌

3、数据交换

I/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

4、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

三、I/O控制器の组成

♥值得注意的小细节:

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

（1）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l/O

（2）另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址

（1）内存映射I/O

控制器中的寄存器与内存地址统一编址

优点：简化指令，可以采用对内存进行操作的指令来对控制器操作

（2）寄存器独立编址

缺点：需要设置专门的指令对控制器进行操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号

5.1.3 I/O控制方式

一、程序直接控制方式

1、完成一次读/写操作的流程（以“读”指令为例）

（1）CPU向控制器发出“读”指令，设备启动，状态寄存器设为1（未就绪）

（2）CPU轮询检查控制器的状态（循环检查状态位，若为1表示设备还没准备好要输入的数据）

（3）输入设备准备好数据后将数据传给控制器，并且报告自身状态

（4）控制器将输入的数据放入数据寄存器，并将状态改为0（已就绪）

（5）CPU发现设备已经就绪，将数据寄存器中的内容读入CPU寄存器，再把CPU寄存器中的内容放入内存

（6）若还要继续读入数据，则CPU继续发出读指令

2、CPU干预的频率：很频繁

I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待l/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查

3、数据传送的单位：每次读/写一个字

4、数据的流向

（1）读操作（数据输入) : I/O设备 → CPU寄存器 → 内存

（2）写操作（数据输出) : 内存 → CPU寄存器 → I/O设备

每个字的读/写都需要CPU的帮助

5、主要缺点和主要优点

（1）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”)

（2）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

二、中断驱动方式

1、完成一次读/写操作的流程

（1）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

（2）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

（3）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

（4）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

2、CPU干预的频率

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

3、数据传送的单位：每次读/写一个字

4、数据的流向

（1）读操作（数据输入) : I/O设备 → CPU寄存器 → 内存

（2）写操作（数据输出) : 内存 → CPU寄存器 → I/O设备

5、主要缺点、主要优点

（1）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/0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

（2）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

三、直接存储器存取DMA

1、与“中断驱动方式”相比，DMA方式有这样几个改进:

（1）数据的传送单位是“块”；不再是一个字、一个字的传送

（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“中介”

（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

2、DMA控制器

3、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

4、数据传送的单位

每次读/写一个或多个块（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)

5、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

6、主要缺点and主要优点

（1）优点：数据传输以“块”为单位，CPU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

（2）缺点：CPU每发出一条l/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

四、通道控制方式

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

1、通道：一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”；可以识别并执行一系列通道指令

2、完成一次I/O操作的流程

（1）CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备

之后CPU就切换到其他进程执行了

任务清单

（2）通道执行内存中的通道程序(其中指明了要读入/写出多少数据,读/写的数据应放在内存的什么位置等)

（3）通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后CPU对中断进行处理

3、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干预

4、数据传送的单位

每次读/写一组数据块

5、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

6、主要缺点and主要优点

（1）缺点:实现复杂，需要专门的通道硬件支持

（2）优点:CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高

5.1.4 I/O软件层次结构

理解并记住I/O软件各个层次之间的顺序，要能够推理判断某个处理应该是在哪个层次完成的

（最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层

只需理解一个特点即可:直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的;

没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的)

一、用户层软件

1、实现了与用户交互的接口，用户可以使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作（如printf）

2、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”请求操作系统内核的服务

二、设备独立性软件 / 设备无关性软件

1、与设备的硬件特性无关的功能几乎都在该层实现

2、主要实现的功能

（1）向上一层（用户层）提供统一的调用接口（如read/write系统调用）

（2）实现对设备的保护

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

（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

Δ1、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I/O设备的逻辑设备名

（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）

Δ2、设备独立性软件需要通过“逻辑设备表”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

三、设备驱动程序

为什么不同的设备需要不同的设备驱动程序？

（1）不同设备的I/O控制器、内部硬件特性可能不同，所以厂家需要提供与设备对应的驱动程序

（2）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（如read/write）转化成特定

设备“能听得懂”的一系列操作

包括设置设备寄存器:检查设备状态等

四、中断处理程序

5.1.5 I/O核心子系统

假脱机技术需要请求“磁盘设备”的设备独立性软件的服务，因此一般来说假脱机技术是在用户层软件实现的

但是408大纲又将假脱机技术归为“I/o核心子系统”的功能，因此考试时还是以大纲为准

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

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)

设备的分配与回收详见5.1.7

缓冲区管理详见5.1.8

5.1.6 假脱机技术SPOOLing

一、脱机技术

脱机技术：脱离主机控制而进行的I/O操作

二、假脱机技术SPOOLing

用软件的方式模拟脱机技术

1、输入井、输出井 --- 模拟磁带

2、输入进程、输出进程

3、输入缓冲区、输出缓冲区

三、假脱机技术的应用 --- 共享打印机

1、回顾概念

（1）独占式设备：只允许各个进程串行使用的设备，一段时间内只能满足一个进程的请求

（2）共享设备：允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使用）

可以同时满足多个进程的使用请求

2、打印机是种“独占式设备”，但是可以用假脱机技术改造成“共享设备”

3、原理

当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正把打印机分配给他们,

而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事:

(1）在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区（这个缓冲区是在磁盘上的)，并将要打印的数据送入其中;

(2）为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中（其实就是用来说明用户的打印数据

存放位置等信息的），再将该表挂到假脱机文件队列上

当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印

用这种方式可依次处理完全部的打印任务

虽然系统中只有一个台打印机，但每个进程提出打印请求时，系统都会为在输出井中为其分配一个存储区

（相当于分配了一个逻辑设备），使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机，从而实现对打印机的共享

假脱机技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备

5.1.7 设备的分配与回收

待更新

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