第 5 章 输入输出管理
1、I/O设备的基本概念和分类
1.1、思维导图
操作系统需要管理的资源
1.2、什么是I/O设备
“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。
鼠标、键盘——典型的输入型设备
移动硬盘——即可输入、又可输出的设备
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人机交互类外设：鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互。数据传输速度慢
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络通信设备：调制解调器等——用于 络通信。数据传输速度介于上述二者之间
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低速设备：鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节
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高速设备：如磁盘等——传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备
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块设备：如磁盘等——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
1.4、本节课小结
2.2、I/O设备的机械部件
I/O设备的机械部件
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。
2.4、I/O控制器的组成
I/O控制器的组成：CPU与控制器的接口；I/O逻辑；控制器与设备的接口
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
2、寄存器独立编址
寄存器独立编制：控制器中的寄存器使用单独的地址
缺点：需要设置专门的指令来实现对控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编
3、I/O控制方式
3.1、思维导图
I/O控制方式：用什么样的方式来控制I/O设备的数据读/写
学习I/O控制方式需要注意的问题
- 完成一次读/写操作的流程
- CPU干预的频率
- 数据传送的单位
- 数据的流向
- 主要缺点和主要优点
输入设备准备好数据后，将数据放到数据寄存器中，并将状态寄存器标志为空闲状态。CPU 轮询检测到设备已经准备好，将数据寄存器中的数据读入 CPU 寄存器中，之后再放入内存中
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I/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
读操作（数据输入）：I/O设备 → CPU（CPU寄存器） → 内存
写操作（数据输出）：内存 → CPU（CPU寄存器） → I/O设备
注：每个字的读/写都需要 CPU 和 CPU 寄存器的帮助
5、主要缺点和主要优点
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”）
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
3.3、中断驱动方式
中断驱动方式的工作原理
为何引入中断机制：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。
中断机制的原理：当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信 ，CPU检测到中断信 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
中断机制的注意事项
CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
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。
中断驱动方式的性能指标
1、完成一次读/写操作的流程
Keyword：中断
DMA 控制器的总线结构
DR（Data Register，数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
MAR（Memory Address Register，内存地址寄存器）：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置；输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
DC（Data Counter，数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数。
CR（Command Register，命令/状态寄存器）：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息。
2、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
3、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）
4、数据的流向
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
5、主要缺点和主要优点
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。
缺点：CPU每发出一条I/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
3.5、通道控制方式
通道控制方式的工作原理
通道：一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。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，也就是说通道与CPU共享内存
①CPU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
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信息）
③通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信 ，之后CPU对中断进行处理
2、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 ，请求CPU干预。
3、数据传送的单位
每次读/写一组数据块
4、数据的流向
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
5、主要缺点和主要优点
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
3.6、本节课小结
理解：通道=弱鸡版；CPU通道程序=任务清单
4.2、用户层软件
用户层软件的结构
库函数：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，比如：
系统调用：用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/0请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务，比如： 会被翻译成等价的系统调用，当然，用户层软件也会在系统调用时填入相应参数
设备独立性软件的功能
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
关于逻辑设备名的说明
逻辑设备名：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）
逻辑设备表（LUT，Logical UnitTable）：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
逻辑设备表的内容：I/O设备被当做一种特殊的文件，不同类型的I/O设备需要有不同的驱动程序处理
假设惠普打印机设备内部控制结构如下所示：厂家只设计了一个数据寄存器；设备的厂家规定，1代表空闲，0代表忙碌（刚好与佳能相反）
注：驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。
4.5、中断处理程序
中断处理程序的执行流程
当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信 ，系统会根据中断信 类型找到相应的中断处理程序并执行。中断处理程序的处理流程如下，可见，中断处理程序也会和硬件直接打交道
I/O请求的执行顺序
用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求 → 用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务 → 设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序 → 驱动程序向I/O控制器发出具体命令 → 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
5.2、各功能层次
各个功能所属的软件层次
假脱机技术（SPOOLing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
5.4、设备保护
设备保护：类似于文件保护
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）
6.2、什么是脱机技术
操作系统发展中的两个阶段：手工操作阶段和批处理阶段
手工操作阶段：主机直接从I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快。人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备
6.3、假脱机技术的技术实现
1、输入井和输出井
“假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”是用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统的组成如下：
2、输入进程和输出进程
“输入进程”模拟脱机输入时的外围控制机
“输出进程”模拟脱机输出时的外围控制机
注：要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立“输入进程”和“输出进程”。
3、输入/输出缓冲区
注意：输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中的缓冲区
在输入进程的控制下，“输入缓冲区”用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中
在输出进程的控制下，“输出缓冲区”用于暂存从输出井送来的数据，之后再传送到输出设备上
共享打印机
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。
共享打印机的原理分析
当请求共享打印机时，在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区，并将要打印的数据送入其中
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
6.5、本节课小结
7.2、设备分配时应考虑的因素
设备分配时应考虑的因素
设备控制表（DCT）
设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况
注：“进程管理”章节中曾经提到过“系统会根据阻塞原因不同，将进程PCB挂到不同的阻塞队列中”，这里的【设备队列的队首指针】就是指向正在等待该设备的进程队列
通道控制表（CHCT）
通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT。操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理
7.5、设备分配的步骤
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）
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
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
7.6、设备分配步骤的改进
设备分配步骤的缺点
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
设备分配步骤的改进
①根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（注：用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”）
②查找SDT，找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表（LUT）中新增一个表项。
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。
逻辑设备表的设置问题
整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统
7.7、本节课小结
8.2、缓冲区概念
什么是缓冲区/strong>
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（本节介绍的是“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
好这些缓冲区缓冲区的作用
注：解决数据粒度不匹配的问题，比如：输入输出进程操作的单位为块，但有些I/O设备操作的单位为字符，通过缓冲区就能解决输入输出进程和I/O设备粒度不匹配的问题
当使用缓冲区时，CPU和I/O设备交换数据时，以缓冲区作为中介，缓和了两者速度不同的矛盾
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