I/O管理
1. I/O 管理概述
“I/O”就是“输入/输出”（Input/Output）
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。
1.1 I/O 控制方式
I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作。如我们看得见摸得着的鼠标/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。
CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，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”，用于实现CPU对设备的控制。
这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。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。
I/O控制器的功能
- 接受和识别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存放命令和参数。
- 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I/O设备的当前状态。如：1表示空闲，0表示忙碌。
- 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。
- 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。
I/O控制器的组成
- CPU与控制器的接口：用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令；通过地址线指明要操作的设备；通过数据线来取出（输入）数据，或放入（输出）数据。
- I/O逻辑：负责接收和识别CPU的各种命令（如地址译码），并负责对设备发出命令。
- 控制器与设备的接口：用于实现控制器与设备之间的通信。
I/O控制方式
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。
DMA方式
与“中断驱动方式”相比，DMA方式（Direct Memory Access，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“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。
1.2 I/O 软件层次结构
1）用户层软件
用户层软件实现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。
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。
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）。
2）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：
①向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）。
②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。
③差错处理。设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理。
④设备的分配与回收。
⑤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。
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。
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）。
设备独立性软件需要通过“逻辑设备表（LUT，Logical UnitTable）”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。
操作系统系统可以采用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。
3）设备驱动程序
为何不同的设备需要不同的设备驱动程序？
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。
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。驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。
4）中断处理程序
练习
B
C
A
A
B
2. I/O 核心子系统
由于I/O设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，因此需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了操作系统的I/O子系统，它将内核的的其他方面从繁重的I/O设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有I/O调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。
2.1 I/O 调度概念
I/O调度就是确定一个好的顺序来执行这些I/O请求。应用程序所发布的系统调用的顺序不一定总是最佳选择，所以需要I/O调度来改善系统整体性能，使进程之间公平地共享设备访问，减少I/O完成所需要地平均等待时间。
操作系统开发人员通过为每个设备维护一个请求队列来实现进度。当一个应用程序执行阻塞I/O系统调用时，该请求就加到相应设备地队列上。I/O调度会重新安排队列顺序，以改变系统总体效率和应用平均响应时间。
2.2 高速缓存与缓冲区
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。
1）单缓冲
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。
2）双缓冲
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
结论：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？
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。
若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输。
注：管道通信中的“管道”其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道
3）循环缓冲区
4）缓冲池
缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：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）。另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）、用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）、用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）、用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）。
①输入进程请求输入数据
从空缓冲队列中取出一块作为收容输入数据的工作缓冲区（hin）。冲满数据后将缓冲区挂到输入队列队尾。
②计算进程想要取得一块输入数据
从输入队列中取得一块冲满输入数据的缓冲区作为“提取输入数据的工作缓冲区（sin）”。缓冲区读空后挂到空缓冲区队列。
③计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区
从空缓冲队列中取出一块作为“收容输出数据的工作缓冲区（hout）”。数据冲满后将缓冲区挂到输出队列队尾。
④输出进程请求输出数据
从输出队列中取得一块冲满输出数据的缓冲区作为“提取输出数据的工作缓冲区（sout）”。缓冲区读空后挂到空缓冲区队列。
2.3 设备分配与回收
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。（eg：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：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
设备分配的步骤
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。
2.4 假脱机技术(SPOOLing)
什么是脱机技术？
脱离主机的控制进行的输入/输出操作。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磁带上。之后主机可以从快速的磁带上读入数据，从而缓解了速度矛盾。
共享打印机原理分析
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。打印机是种“独占式设备”，但是可以用SPOOLing技术改造成“共享设备”
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。
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（也就是说，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。
SPOOLing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。
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