I/O 设备

I/O 设备分类

按使用特性分类

人机交互类外设：如鼠标打印机键盘等。数据传输慢。

存储设备：移动硬盘、光盘等，数据传输速率快。

网络通信设备：调制解调器等用于网络通信，速度中等。

按速率分类

低速设备：鼠标键盘。

中速：激光打印机。

高速：移动硬盘等。

按信息交换的单位分类

块为单位：磁盘。

字符为单位：鼠标键盘等。

I/O 控制器

IO设备包括：

• 机械部件：用于执行具体 IO 操作的，如鼠标按钮、显示器屏、磁盘盘面。

• 电子部件：插入主板扩充槽的印刷电路板。

CPU 要通过 IO 控制器作为中介才能控制机械部件。

一个 IO 控制器可能控制多个设备；而且可能有多个寄存器。有的操作系统让这些寄存器存到内存里，叫做内存映像 IO；有的采用专门的地址，即寄存器独立编址。独立编址不在内存里，因此还要设置专门的指令来实现对其的操作，还要指明具体对哪个控制器操作。

IO 控制方式

关注：一次读写操作的流程；CPU 干预的频率；数据传送单位；数据流向；优缺点。

程序直接控制

读：

重点在轮询。CPU要不断轮询。

数据传送单位：每次一个字。

数据流向：内存和 IO 设备经由 CPU 读写。每个字读写都需要 CPU 帮助。

简单，但是 CPU 和 IO 只能串行工作，CPU 一直轮询检查效率也很低。

中断驱动方式

CPU 发出读写命令后，等待 IO 的进程暂时阻塞，先运行其他程序。IO 完成后控制器会向 CPU 发一个中断信号，CPU 收到后继续执行。

CPU 执行完每个指令的周期末尾检查中断。中断处理过程需要保存、恢复进程的运行环境，也需要一定时间开销。

CPU 只有 IO 开始时干预一下，等待 IO 过程中就运行其他进程了。

数据传送单位：每次一个字。

数据流向：内存和 IO 设备经由 CPU 读写。每个字读写都需要 CPU 帮助。

相比程序直接控制，CPU 利用率高一点了。但是一个字一个字的传，速度还是慢。

DMA 方式

数据传输单位是块；设备和内存之间数据传输不用每次都经过 CPU ，只有开始传输或结束时才需要干预。

缺点：CPU 每发一条 IO 指令，只能读写几次连续的数据块。离散的数据块就要多次中断。

通道控制方式

通道相当于简化版的 CPU。CPU向通道发出指令，指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个 IO 设备，然后 CPU 就去运行其他程序了。

通道能执行的指令很单一，而且放在内存中。

CPU 干预次数极少，效率也高，就是需要专门的通道程序支持。

I/O 软件层次

设备独立性软件：向上提供接口（入库函数）。校验用户是否有权限使用当前设备。差错处理。分配和回收设备。管理数据缓冲区。建立逻辑设备名到物理设备名的映射，并根据实际的物理设备选择合适的驱动程序。

可以只设立一个系统 LUT，但是所有用户的逻辑设备名不能重复；也可以给每个用户设计一个。

为什么不同设备驱动程序也不同？因为不同设备内部结构也不一样。比如不同打印机内部寄存器数量可能不一样。驱动程序一般作为单独的进程。

设备驱动程序：主要负责具体控制硬件设备。

中断处理程序：IO 顺利完成后，进行中断处理。并从设备读入一个字长的数据。

I/O 核心子系统

假脱机技术

脱机技术是什么？我们记得最早期的计算机是人手动打孔纸带放入计算机中的，因为人打孔太慢，CPU 运行再快也得等着。

批处理几段引入了脱机输入，先通过外围控制机把数据输入到更快速的磁带上再让主机读入。脱机指的是脱离主机控制的 IO 操作。

不仅 IO 快了，而且 CPU 忙的时候用户也可以先处理数据到磁带上。

假脱机技术 SPOOLing 用软件模拟脱机技术。

输入输出进程模拟外围控制机。

借助 SPOOLing 技术，可以让打印机实现共享。收到用户的打印请求时，在输出井里申请空闲缓冲区（在磁盘上），并放入要打印的数据；且给用户进程申请一张空白的打印请求表，里面存储打印的相关信息，并把该表挂到假脱机文件队列上。打印机空闲时从队列中取出打印请求表，根据表取出打印的数据到输出缓冲区，再到打印机打印。

设备的分配和回收

分配设备要考虑：设备属性（独占？共享？虚拟？虚拟就是假脱机技术等独占改成共享）。设备分配算法（FCFS 优先级高的优先 短任务优先）。安全性。

分配分为静态分配和动态分配。

设备分配管理中的数据结构

设备控制表 DCT

控制器控制表 COCT

通道控制表 CHCT

系统设备表 SDT

设备分配步骤

1. 根据进程的物理设备名，去 SDT 找设备。
2. 根据 SDT 找 DCT，空闲就直接把设备分给这个进程，忙碌就把这个进程的 PCB 挂到设备等待队列中。
3. 根据 DCT 找到 COCT，空闲就分配，不空闲就等待。
4. 根据 COCT 找到 CHCT，空闲就分配，不空闲就等待。

以上方法缺点在于用户要知道物理设备名，不透明；而且只指定这一个设备，如果该设备坏了或者堵塞哪怕其他设备能用也无法切换。

可以建立逻辑设备，用逻辑设备找物理设备。

SDT 中设备类型就是逻辑设备名。

通过逻辑设备表 LUT 建立逻辑设备名和物理设备名之间的映射关系。

缓冲区

缓冲区是一个存储区域，可以用专门的硬件寄存器，也可以用内存做。速度快，成本高，容量小，比如快表。本节中介绍的主要是内存缓冲区。

可以缓冲 CPU 和 IO 之间速度不匹配的矛盾，进而 CPU 中断次数也会减少；解决数据颗粒度不匹配的问题；提高 CPU 与 IO 的并行性。

单缓冲区

某用户进程请求设备读入若干个块的数据。。如果采用单缓冲策略，主存中会被分配一个缓冲区（一般是一个块大小）。缓冲区中只有空的时候才能冲入数据，只有非空的时候才能传出数据。

双缓冲区

一满一空，可以空的边读，满的边往工作区写。

用时=Max(C+M, T)

如果两台机器各配置2个缓冲区，就能同时收发了。

循环缓冲区

多个大小相同的缓冲区链接成一个循环队列。

缓冲池

放满了各种各样缓冲区的池子。

输入：取出一个空缓冲区挂到收容输入队列中，输入放到收容输入队列中，装好了挂到输入队列中。

提取输入：从输入队列取下来，放到提取输入队列中提取到用户进程，再挂回空缓冲区。