文章目录
第十三章 I/O系统
I/O硬件
I/O设备、设备控制器、I/O通道、总线系统
I/O控制方式
程序I/O方式、中断驱动方式、DMA方式、I/O通道控制方式
缓冲技术
缓冲的引入、单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池
I/O软件
I/O系统的组成
计算机系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器。在大、中型计算机系统中，还需有I/O通道，由这些设备以及相应的总线构成了I/O系统
I/O设备
I/O设备类型繁多，从OS观点看，其性能指标有：
数据传输速率
数据的传输单位
设备共享属性等
按速率分类
低速设备
传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节。属于低速设备的典型设备有键盘、 鼠标器、语音的输入和输出等设备。中速设备
传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节。典型的中速设备有行式打印机、激光打印机等。高速设备
传输速率在数百K个字节至数十兆字节。 典型的高速设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。
按信息交换的单位分类
块设备
用于存储信息。 由于信息的存取总是以数据块为单位，故而得名。 典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小 为 512 B~4 KB 。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高,通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址 ,即对它可随机地读 / 写任一块；此外，磁盘设备的 I/O 常采用DMA 方式。字符设备
用于数据的输入和输出。 其基本单位是字符， 故称为字符设备。
时钟：既不是块设备也不是字符设备
按设备的共享属性分类
独占设备:在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等）
共享设备:在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘）
虚拟设备:通过虚拟技术把一台独占设备变换为若干台逻辑设备，可供多个用户使用
Controller
设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。
每个 I/O 设备通过设备控制器与计算机的数据总线和地址总线相连接。
某些设备（如磁盘设备）有内置的控制器
是一个可编址设备
当它仅控制一个设备时，它只有一个唯一的设备地址
若控制器可连接多个设备时，则应具有多个设备地址，使每一个地址对应一个设备
I/O通道
定义：通道是独立于CPU的专门负责数据I/O传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对I/O操作进行控制，从而使I/O操作可与CPU并行操作。 通道可以执行通道程序.
目的：建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送独立于CPU，而且使有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理也尽量独立，即把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来，提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力. 、
由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少，这又往往使它成为I/O 的瓶颈，造成整个系统吞吐量的下降。
I/O控制方式
程序I/O方式(轮询Polling)
CPU与设备串行工作
CPU循环测试—浪费大量CPU时间
中断驱动I/O
在现代计算机系统中，对I/O设备的控制，广泛采用中断驱动（Interrupt—Driven）方式。
在I/O设备输入/输出每个数据的过程中，无须CPU干预。
仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。
DMA控制方式
中断驱动I/O是以字（节）为单位进行I/O的，若将这种方式用于块设备的I/O，显然将会是极其低效的。
为了进一步减少CPU对I/O的干预，而引入了直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。
DMA方式的特点是：
数据传输的基本单位是数据块；
所传输的数据是从设备直接送入内存的,或者相反；
整块数据的传送是由控制器完成的
I/O通道控制方式
DMA每次只能执行一条I/O指令，不能满足复杂的I/O操作要求。在大、中型计算机系统中，普遍采用由专用的I/O处理机来接受CPU的委托，独立执行自己的通道程序来实现I/O设备与内存之间的信息交换，这就是通道技术。
缓冲池
循环缓冲属专用缓冲。当系统较大时，为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。
引入缓冲的主要原因有以下三点：
缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制
提高CPU和I/O设备之间的并行性
OS提供以下几种缓冲形式：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池
缓冲池（Buffer Pool）的组成 ：
空（闲）缓冲区；
输入缓冲区:装满输入数据；
输出缓冲区:装满输出数据
为了管理上的方便，可将相同类型的缓冲区链成一个队列，形成以下三个队列：
空缓冲队列emq；
输入队列inq；
输出队列outq
四种工作缓冲区：
收容输入缓冲区
提取输入缓冲区
收容输出缓冲区
提取输出缓冲区；
I/O软件
I/O软件功能
提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口。设备的符号标识
设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。
设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。
I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率
I/O软件的基本思想:
按分层的思想构造软件
较低层的软件要使较高层的软件独立于硬件
较高层的软件则要向用户提供一个友好、规范、清晰的界面
I/O软件组织成以下4个层次：
(1)用户空间的I/O软件
(2)与设备无关的I/O软件(设备独立软件)
(3)设备驱动程序
(4)中断处理程序
设备分配
在多道程序环境下，系统中的设备不允许用户自行使用，必须由系统分配。
为了实现设备分配，必须在系统中设置相应的数据结构。
在进行设备分配时所需的数据结构有：
设备控制表DCT
系统为每一个设备都配置了一张设备控制表，用于记录本设备的情况
控制器控制表COCT
通道控制表CHCT
系统设备表 SDT
整个系统有一张系统设备表
为了使系统有条不紊地工作，系统在进行设备分配时，应考虑这样几个因素：
设备的固有属性
设备分配算法
设备分配的安全性
设备独立性
1?? 固有属性
独占
需考虑效率和死锁问题
静态分配：
在进程运行前, 完成设备分配；运行结束时，收回设备
缺点：设备利用率低
动态分配：
在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回
优点：效率高；缺点：分配策略不好时, 产生死锁
共享
提出I/O请求的不同进程以排队方式分时地占用设备进行I/O
由于有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均等待时间越短越好
把独占设备改造成虚拟设备
2?? 设备分配算法：
与进程的调度算法有些相似，但相对要简单些：先来先服务、优先级高者优先
3?? 设备分配中的安全性
从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式：
安全分配方式：每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。
不安全分配方式：进程发出I/O请求后仍继续运行，需要时又可发出第二个I/O请求、第三个I/O 请求。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，进程才进入阻塞状态。
4?? 设备独立性
目的：为了提高OS的可适应性和可扩展性。
基本含义： 应用程序独立于具体使用的物理设备。
为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念
应用程序使用逻辑设备名称来请求使用设备
系统使用物理设备名
系统需将逻辑设备名称转换为某物理设备
这非常类似于存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念。
逻辑设备表LUT(Logical Unit Table) ： 将应用程序中所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。
LUT的设置可采取两种方式
单用户系统整个系统设置一张LUT
多用户系统可为每个用户设置一张LUT
以SPOOLing方式使用外设
SPOOLing技术是用于将一台独占设备改造成共享设备的一种行之有效的技术
SPOOLing技术是在批处理操作系统时代引入的，即所谓假脱机输入/输出技术
概念
SPOOLing：
利用多道程序中的一道程序来模拟脱机输入时的外围控制机的功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；
用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上
这样，便在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。
此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing (Simultaneous Peripheral Operations On-Line)，或称假脱机操作。
组成
SPOOLing系统是对脱机输入、输出工作的模拟，它必须有高速随机外存的支持，这通常是采用磁盘。
SPOOLing系统组成如下图：
输入井和输出井；
输入缓冲和输出缓冲；
输入进程和输出进程。
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-JapFKPoc-1640184951954)(C:/Users/26969/AppData/Roaming/Typora/typora-user-images/image-20211125144647090.png)]
实现
SPOOLing技术可将一台打印机改造成一台可供多个用户共享的设备。
当用户进程请求打印输出时，SPOOLing做以下两件事：
由输出进程在输出井中为之申请一空闲盘块区，并将要打印的数据送入其中；
输出进程为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。
输出进程从请求打印队列中依次取出请求打印表，根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印机打印。
特点
提高了I/O速度
将独占设备改造为共享设备
实现了虚拟设备功能
设备处理
设备处理工作由两部分完成：设备驱动程序、中断处理程序
设备驱动程序
操作系统能够以统一的方式对待不同的I/O设备，因为具体的差别被称为设备驱动程序 的内核模块所封装。与设备相关的代码放在设备驱动程序中。应为每一类设备配置一种驱动程序
设备驱动程序实际是处理或操作硬件控制器的软件
处理过程
中断处理程序
在 I/O 时，设备控制器如果准备好服务会向CPU发出一中断请求。
这些中断表示输入数据已有，或输出已完成，或已检测到错误。
CPU响应后便转向中断处理程序
无论是哪种I/O设备，其中断处理程序的处理过程都包含了以下几个步骤
唤醒被阻塞的驱动程序进程；
保护被中断进程的CPU环境；
分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序；
进行中断处理；
恢复被中断进程的现场。