[系统运维] 操作系统第五章：I/O管理

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[系统运维]操作系统第五章：I/O管理

这一章看懂就行了，就算考也考的比较简单，只要知道就能做（而且本来内容也简单）

I/O设备的分类和概念

UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。

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I/O控制器

I/O设备由机械部件和电子部件组成

机械部件主要用来执行具体的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

电子部件如印刷电路板，控制器（I/O控制器、设备控制器）。

1.I/O控制器的功能

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2.I/O控制器的组成

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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。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I/O;另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

3.内存映像 vs 寄存器独立编址

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小结

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I/O控制方式

1.程序直接控制方式

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CPU向控制器发出读指令，设备启动，状态设为未就绪，输入设备准备好数据传给控制器（同时报告状态），控制器把数据放到数据寄存器里，把状态改为就绪（期间CPU一直查询状态，处于一种“忙等的状态”），CPU发现状态为就绪，把数据从数据寄存器拿到CPU寄存器中，再从CPU寄存器挪到内存里去（充当了一个搬运工的角色）。
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2.中断驱动方式

CPU发出命令后把I/O进程阻塞，等I/O设备自己弄，CPU先去搞别的进程，I/O完成后发出中断（控制器发出），CPU保存当前环境然后处理I/O进程，读一个字（每次就只能这么多）到CPU寄存器再写入主存。然后恢复环境继续之前的工作

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注意:
①CPU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。

3.DMA方式

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每次读写一个或多个块，如果是多个块要是连续的，在内存里也是连续的，因为CPU下命令的时候有说存到哪里（MAR），所以必须是连续的才能一次搞定。

以块为单位，CPU介入的频率更低了，并且直接从设备到内存，不需要CPU做搬运工，传输效率变高了。

4.通道控制方式

CPU发展了副手通道，整了份任务清单，告诉通道任务清单（通道程序）在哪（给出首地址），操作哪个I/O设备，然后就去执行别的进程了。通道执行通道程序（里面有详细的要做什么，读写多少数据，分别都放在哪），通道按着这个做，就可以实现一次性搞定很多块，完成之后才发起中断叫CPU来处理。

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小结

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I/O软件层次结构

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。
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设备驱动程序，中断处理程序会和硬件直接打交道，设备独立性软件和用户层软件不会。

与中断有关的操作：
①用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求
②用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务
③设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序
④驱动程序向I/O控制器发出具体命令
⑤等待I/O完成的进程应该被阻塞，因此需要进程切换，而进程切换必然需要中断处理

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逻辑表的作用：
①建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系
②根据设备类型选择调用相应的驱动程序（不同的设备内部硬件有区别，所以要提供对应的驱动程序，系统安装设备的驱动程序之后就能知道怎么操作这些设备）
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I/O核心子系统

就是中间三层

假脱机技术为I/O核心子系统的功能（大纲规定）

设备保护和文件保护很类似，把设备看成是特殊的文件就行了
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假脱机技术（SPOOLing）

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设备的分配与回收

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设备的分配算法：先来先服务、优先级、短任务优先……
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1.设备分配管理的数据结构

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这些表都是由：唯一ID、状态、上一层位置（通道则是找到所有控制器COCT）、等待队列（如果状态为忙就挂在等待队列，分配从队首取，新的插到队尾）

设备分配的步骤：
①根据进程请求的物理设备名查找SDT（注:物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数)
②根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
③根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
④根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。

注∶只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送