输入输出（IO）

输入输出（IO）

I/o输入输出 可以将数据输入到设备或者接收计算机输出数据的外部设备

I/O控制器

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。

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。

I/O控制器

程序直接控制方式（轮询）

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。

每次读写一个字

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。

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控 制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。 CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。

缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的 中断处理会消耗较多的CPU时间。

DMA方式

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

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。

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。

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。

通道控制方式

通道：一种硬件，可以识别并执行一系列通道指令

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。

I/O软件层次结构

用户层软件 I/O系统或者I/O核心子系统（设备独立性软件 设备驱动程序 中断处理程序） 硬件

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

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。

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

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 Unit Table）”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

只设置一张LUT只适用单用户操作系统

为每个用户设置一张LUT

设备驱动程序

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

不同的I/O设备有不同的硬件特性，具体细节只有设备的厂家才知道。 因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序。

中断处理程序

当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根 据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。

I/O核心子系统

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。但有的教材说是I/O核心子系统的功能

I/O调度、设备保护、设备分配与回收、 缓冲区管理（即缓冲与高速缓存）是设备独立性软件完成

I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。

设备保护：不同的用户对各个文件有不同的访问权限

假脱机技术

脱机技术：脱离主机的控制，进行输入输出的操作

假脱机技术：用软件的方式模拟脱机技术

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”。

共享打印机：

（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。

（3） 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

设备的分配和回收

设备分配需要考虑的因素

设备固有属性：

设备独占（一个时间段只能分配一个进程）

共享设备（可同时分配给多个进程使用，宏观上共享使用）

虚拟设备（采用假脱机技术可同时分配给多进程）

设备的分配算法

先来先服务 优先级高者优先 短任务优先

设备分配安全性

安全分配方式：为进程分配设备后就进入进程阻塞，I/O完成后进程唤醒

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

不安全分配方法：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。

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

**动态分配：**进程运行过程中动态申请设备资源

设备管理中的数据结构

一个通道可控制多个设备控制器，每个设备控制器可控制多个设备。

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

设备类型：如：打印机/扫描仪/键盘

设备标识符：即物理设备名，系统中的每个设备的物理设备名唯一

设备状态：忙碌/空闲/故障…

指向控制器表的指针:每个设备由一个控制器控制，该指针可找到相应控制器的信息

重复执行次数:当重复执行多次I/O操作后仍不成功，才认为此次I/O失败

设备对列的队首指针:指向正在等待该设备的进程队列（由进程PCB组成队列）
控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器 进行操作和管理。

控制器标识符 各个控制器的唯一ID

控制器状态 忙碌/空闲/故障…

指向通道表的指针 每个控制器由一个通道控制，该指针可找到相应通道的信息

控制器队列的队首指针指向正在等待该控制器的进程队列（由进程PCB组成队列）

控制器队列的队尾指针

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。

**通道标识符：**各个通道唯一ID

**通道状态：**忙碌空闲故障

与通道连接的控制器表首地址：可通过该指针找到该通道管理的所有控制器相关信息（COCT）

通道队列的队首指针

通道队列的队尾指针 ：指向正在等待该通道的进程队列（由进程PCB组成队列）

系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。

设备分配步骤

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。

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

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。

缓冲区管理

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

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

单缓冲

没有特别说明 一个缓冲区就是一个块

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。

计算处理一块数据的时间

假设工作区满 缓冲区空

输入到缓冲区时间 T 缓冲区到工作区传送M 处理时间C

当T>C 则要T+M T<C则要C+M

双缓冲

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

计算时间

假设初始状态：工作区空 其中一个满另一个空

假设T>C+M 处理时间T‘

假设T<C+M 处理时间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

循环缓冲区

将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。 注：以下图示中，橙色表示已充满数据的缓冲区，绿色表示空缓冲区。

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）。

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）

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

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

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

输出进程请求输出数据

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）