操作系统(9) I/O管理 I/O控制器 I/O设备概念和分类 I/O控制方式 I/O软件层次结构 缓冲区管理

I / O管理

一、I/O设备的基本概念和分类

二、I/O控制器

1. I/O控制器的介绍和功能

(1) I/O控制器的介绍

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，故需要I/O控制器作为中介，CPU控制I/O控 制器，I/O控制器控制设备的机械部件

(2) I/O控制器的功能

2. I/O控制器的组成

三、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

1. 程序直接控制方式

(1) CPU干预的频率

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非常频繁，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 需要不断的轮询检查

(2) 数据传送的单位：字

(3) 数据的流向

读操作：I/O设备 → 寄存器 → 内存
写操作：内存 → 寄存器 → I/O设备

2. 中断驱动方式

引入中断机制；在CPU发出读/写命令之后，将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程；当I/O 完成后，控制器会向CPU发送一个中断信号，CPU会处理中断，完成读/写操作

(1) CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入
等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行

(2) 数据传送的单位：字

(3) 数据的流向

读操作：I/O设备 → 寄存器 → 内存
写操作：内存 → 寄存器 → I/O设备

3. DMA方式(直接存储器存取)

(1) 数据的传送单位是块

(2) 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存中直接到设备，无需CPU干预

(3) 仅在传送数据块的开始和结束时才需要CPU的干预

(4) CPU告诉DMA此次要进行的操作、操作的数据量、数据存放的位置等信息

(5) DMA会根据CPU的要求完成操作，I/O完成之后才向CPU发送中断信号

4. 通道控制方式

通道是一种硬件，可以理解为”性能较差的CPU”，可识别并执行通道指令

(1) CPU干预的频率

频率很低，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 需要发出中断信号，请求CPU干预

(2) 数据传送的单位：一组数据块

(3) 数据的流向

读操作：I/O设备 → 内存
写操作：内存 → I/O设备

5. 知识回顾

四、I/O软件层次结构

设备独立性软件：与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现

五、缓冲区管理

1. 缓冲区作用

注意：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，才可以往缓冲区冲入数据；缓冲区满了之后，才能将数据取出

2. 单缓冲

3. 双缓冲

4. 循环缓冲区