【操作系统】5.设备管理

一、I/O设备的概念和分类

1. 什么是I/O设备

• "I/O"就是输入输出，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

2. I/O设备的分类

按使用特性分类

1. 人机交互类外部设备：鼠标、键盘
2. 存储设备：移动硬盘、光盘
3. 网络通信设备：调制解调器

按传输速率分类

1. 低速设备：鼠标键盘
2. 中速设备：激光打印机
3. 高速设备：磁盘、移动硬盘

按信息交换的单位分类

1. 块设备（传输速率高，可寻址，即对它可以随即地读/写人一块）：磁盘
2. 字符设备（传输率较慢，不可寻址，在输入输出时常采用中断驱动方式）：鼠标、键盘

二、I/O控制器

• I/O设备的机械部件主要用来执行具体的I/O操作
• I/O设备的电子部件通常时一揆啊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对机械部件的控制
• 这个电子部件就时I/O控制器，又称设备控制器
• I/O控制器的功能：
  1. 接受和识别CPU发出的指令
  2. 向CPU报告设备的状态
  3. 数据交换
  4. 地址识别

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. 
2. 完成一次读/写数据操作的流程图：
3. 为什么要先从数据寄存器中读到CPU寄存器，再从CPU寄存器读到内存
   答：输入的数据最终要放到内存中（声明的变量在内存中存放），同理输出的数据也存放在内存中，需要从内存中取出
4. 性能分析：
   1. CPU干预的频率：很频繁，I/O操作开始前、完成后都需要CPU介入，并且等待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：每次读/写一个字，每个字的读写都要CPU的帮助
   3. 数据的流向：
      1. 读操作：I/O设备→数据寄存器→CPU（CPU寄存器）→内存
      2. 写操作：内存→CPU（CPU寄存器）→数据寄存器→I/O设备
   4. 主要缺点和优点：
      1. 优点：实现简单，读写指令之后循环检查即可
      2. 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，此时，I/O也只能等待CPU，利用率也很低

2. 中断驱动方式

1. （不用CPU一直问了，等完成时，通过发出中断主动告知CPU）引入中断机制，
   1. 由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读写指令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行
   2. 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
   3. 处理完后，接着恢复之前进程的环境，继续运行
2. 完成一次读/写数据操作的流程图：
   
3. 性能分析：
   1. CPU干预的频率：每次I/O操作之前、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：每次读/写一个字，每个字的读写都要CPU的帮助
   3. 数据的流向：
      1. 读操作：I/O设备→数据寄存器→CPU（CPU寄存器）→内存
      2. 写操作：内存→CPU（CPU寄存器）→数据寄存器→I/O设备
   4. 主要缺点和优点：
      1. 优点：与程序直接控制方式相比，I/O控制器会主动通过中断信号来告知CPU，I/O已经完成，CPU不再需要轮询，CPU可以和I/O设备并行工作，CPU利用率明显提升
      2. 缺点：因为每次中断处理后，只能传输一个字的数据，所以每个字都需要CPU，而频繁的中断处理会消耗比较多的CPU时间

2. DMA方式

1. 与中断驱动方式相比，DMA方式有几个改进：
   1. 数据的传输单位是“块”。不再是一个字
   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作为快递小哥
   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
2. 完成一次读/写数据操作的流程图：
   
3. 控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读/写工作，整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信号
4. 性能分析：
   1. 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
   2. 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
   3. 数据的流向：
      1. 读操作：I/O设备→内存
      2. 写操作：内存→I/O设备
   4. 主要缺点和优点：
      1. 优点：数据传输以 “块为单位” ，CPU介入的频率进一步降低。数据的传输不再需要经过CPU，再写入内存，数据传输效率进一步增加
      2. 缺点：CPU每次发出一条I/O指令，只能读写一个或多个连续的数据块，如果要读取离散的数据块，就需要发出多条I/O指令

4. 通道控制方式

1. 通道：一种硬件，可以理解为“弱鸡版的CPU”，与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，而且通道程序是放在内存中的，可见通道和CPU是共享内存的，
2. 通道可以识别并执行一系列的通道指令（放在内存中的通道程序中，相当于任务清单）
3. 一个通道可以控制多个I/O控制器，而一个I/O控制器又可以控制多个I/O设备
   
4. 完成一次读/写数据操作的流程图：
   
5. 性能分析：
   1. 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，才需要向CPU发出中断信号
   2. 数据传送的单位：每次读写一组数据块（可以是离散的）
   3. 数据的流向：（在通道的控制下进行）
      1. 读操作：I/O设备→内存
      2. 写操作：内存→I/O设备
   4. 主要缺点和优点：
      1. 优点：CPU、通道、I/O设备并行度高，资源利用率很高
      2. 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

总结

四、I/O软件层次结构

1. I/O软件层次结构

1. 理解各个层次之间的顺序（完成一次I/O请求或I/O应答的时候，各个层次软件的顺序是什么）
2. 常考：
   1. 直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的
   2. 没有涉及到硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的）
   3. 只有设备驱动程序层和中断处理程序层于硬件有关
      

2. 设备独立性

1. 为了提高操作系统的可适应性和可扩展性：
   1. 现代操作系统中实现了设备独立性，也称为设备无关性
   2. 应用程序独立于具体使用的物理设备
2. 实现方法：
   1. 引入逻辑设备和物理设备
   2. 在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备
   3. 而系统在实际执行中使用物理设备名
   4. 系统必须由将逻辑设备名转化为物理设备名的功能（类似于逻辑地址到物理地址）

3. 驱动程序

• 为什么不同的设备需要不同的设备驱动程序？
  1. 不同的设备内部硬件特性也不同（如：不同设备规定的状态寄存器中，0和1代表的信息可能是相反的），而这些特性只有厂家才知道，CPU不可能满足各式各样的设备
  2. 因此厂家必须提供与设备相适应的驱动程序
  3. CPU执行驱动程序的指令序列，来完成各项工作

五、I/O核心子系统

• I/O核心子系统需要实现的功能主要有：I/O调度、设备保护、假脱机技术（SPOOLing技术）、设备分配和回收、缓冲区管理
  

1. I.O调度

• 用某一个算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求
• 如：磁盘调度算法、打印机也可以用先来先服务、优先级、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序

2. 文件保护

• 不同的用户对各个文件有不同的访问权限
• 在UNIX系统中，设备被看作一种特殊的文件，每个设备也会有相应的FCB，当用户请求访问某设备时，系统会根据设备FCB中的信息来判断，该用户是否有相应的权限

3. 假脱机技术

1. 脱机技术

1. 手工操作阶段：纸带机输入（低速）与主机（高速）的处理速度，人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备
2. 批处理阶段引入了脱机技术（用磁带完成）：
   1. 在外围机的控制下，慢速设备的数据先传输到速度比纸带快很多的磁带上，之后主机可以从快速的磁带上读入数据，从而缓解了速度矛盾
   2. 另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带
3. 脱机————脱离主机的控制进行的输入输出
   

2. 假脱机技术的实现原理

1. 假脱机技术就是 用软件的方式，模拟脱机技术
2. 输入井输出井
   1. 输入井：模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据
   2. 输出井：模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据
   3. 在磁盘上开辟的空间
3. 输入进程和输出进程
   1. 输入进程：模拟脱机输入时的外围控制机
   2. 输出进程：模拟脱机输出时的外围控制机
   3. 可见，假脱机技术必需要有多道程序技术的支持（输入进程和输出进程需要并发执行）
4. 输入/输出缓冲区
   1. 在输入进程的控制下，输入缓冲区用于暂时从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中
   2. 在输出进程的控制下，输出缓冲区用于暂时从输出井送来的数据，之后再转存到输出设备中
   3. 注意：输入/输出缓冲区是在内存中的缓冲区
      

3. 共享打印机的原理（假脱机应用）

1. 独占式设备：只允许各个进程串行的设备，一段时间内只能满足一个进程的请求
2. 共享设备：允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使用的），可以同时满足多个进程的使用要求
3. 打印机是种“独占设备”，但是可以用SPOOLing技术改造成“共享设备”
   1. ⭐当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但是并不是真正地把打印机分配给他们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事：
      1. 在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区（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的位置等信息），再将该表挂到假脱机文件队列上
   2. 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输到输出缓冲区，在输出到打印机进行打印。
   3. 虽然系统中只有一个打印机，但是每个进程在提出打印请求时，系统都会为其在输入井中申请一个缓冲区（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，从而实现打印机的共享
      

六、缓冲区管理

1. 什么是缓冲区

1. 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可以由内存作为缓冲区
2. 用硬件作为缓冲区成本较高，但是比如快表就是使用联想寄存器，但是快表带来的性能提升很大，所以这样的成本很值得

2. 缓冲区的作用

1. 缓和CPU与I/O设备时间的速度不匹配的问题
2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制
   1. 如果是字符型设备，则每输出完一个字符就要向CPU发出中断信号，单CPU处理中断的代价是很大的
   2. 若使用了缓冲技术，CPU可以把要输出的数据快速地放入缓冲区，之后就可以做别的事
3. 解决数据粒度不匹配的问题
   1. 输出进程每次可以生成一块数据，但I/O设备每次只能输出一个字符
   2. 若使用了缓冲技术，就可以将输出的数据块放入缓冲区，让I/O设备从缓冲区里一个字符一个字符地取数据
4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性

3. 单缓冲

• 注意：
  1. 当缓冲区中数据为空时，不能往缓冲区中冲入数据，只能从缓冲区中把数据读出去
  2. 当缓冲区为空时，可以向缓冲区中冲入数据，但必须冲满之后，才能从缓冲区把数据传出

4. 双缓冲

5. 循环缓冲

6. 缓冲池