操作系统（5） -- 输入/输出管理
5.1 I/O管理概述
I/O设备
按使用特性：人机交互外部设备、存储设备、网络通信设备
按信息交换的单位分类：块设备、字符设备
I/O控制方式
外围设备与内存之间的输入/输出方式：
程序直接控制方式
中断驱动方式：允许IO设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而解放CPU
DMA方式：在IO设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，特点是：
基本单位是数据块
所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送在DMA控制器的控制下完成。
通道控制方式
IO通道指专门负责输入输出的处理机。
I/O子系统的层次结构
I/O软件涉及的面很广，往下与硬件有密切联系，往上与用户直接交互。在I/O软件中普遍采用层次式结构。
一般将I/O系统视为4个层次的系统结构，各层次及功能如下：
用户层I/O软件：实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的库函数，对设备进行操作。
设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护及设备分配与释放等。设备独立性也称设备无关性，使应用程序独立于具体使用的物理设备。在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备；在系统实际执行时，将逻辑设备名映射成物理设备名使用。
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设备工作的驱动程序。
中断处理程序：保存被中断的进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。
硬件设备：I/O设备通常包括一个机械部件和一个电子部件。
5.2 I/O核心子系统
I/O调度
I/O调度就是确定一个好的顺序来执行这些I/O请求。I/O调度改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少I/O完成所需要的平均等待时间。
高速缓存与缓冲区
磁盘高速缓存：指利用内存中的存储空间暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存中的盘块。高速缓存在内存中分两种形式：一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存；另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池。
缓冲区：
目的：
缓和CPU与I/O设备速度不匹配问题
减少对CPU的中断频率
解决基本数据单元大小不匹配问题
提高CPU和I/O设备之间的并行性
特点：不满不能读，不空不能写
分类：单缓冲，双缓冲，循环缓冲，缓冲池
设备分配与回收
设备分配：根据用户的请求分配所需的设备。分三种：
独占式使用设备：申请设备时，若设备空闲，独占，其他进程不能再申请使用
分时式共享使用设备
以SPOOLing方式使用外部设备：假脱机I/O技术，对I/O操作进行批处理
SPOOLing技术（假脱机技术）
该技术利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。SPOOLing是外部设备同时联机操作。
输入井和输出井：磁盘上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，收容I/O设备输入的数据；输出井收容用户程序的输出数据。
输入缓冲区和输出缓冲区：内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区暂存由输入设备送来的数据，再送到输入井。输出缓冲区暂存从输出井送来的数据，再输送到输出设备。
输入进程和输出进程：输入进程把用户要求的数据从输入机通过通入缓冲区送到输入井。CPU需要数据时，直接把数据从输入井读入内存。输出进程把用户要求输出的数据从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中数据经过输出缓冲区送到输出设备。
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