操作系统输入/输出管理

按照使用特性分为以下类型：人机交互类外部设备：打印机，显示器，键鼠等。数据交换速度慢，通常以字节为单位数据交换。存储设备：磁盘，光盘等。用于数据交换，速度快，通常以多字节组成的块为单位数据交换。网络通信设备：网络接口等。速度介于前两者之间，用于远程设备通信。除了以上分类方式，还可以按照以下方法分类：

按传输速率分类：①低速设备：键鼠等。②中速：打印机等。③高速：磁带机，光盘机，磁盘机等。

按信息交换的单位分类：①块设备：属于有结构设备，如磁盘，基本特征就是传输速率高，可寻址即随机读写。②字符设备：用于IO的设备，传输基本单位是字符，无结构类型，如打印机等，基本特征是传输速率低，不可寻址，IO采用中断驱动方式。

外围设备和内存之间IO控制方式有4种。

程序直接控制方式：计算机从外部设备读取数据到存储区，每次读取一个字的数据，每个字CPU都需要对于外设状态进行循环检查(轮询！！！)，由于CPU的高速性和IO设备的低速性，使得CPU绝大多数时间等待IO设备完成循环测试。该方法易于实现，但CPU利用率低。

中断驱动方式：允许IO设备主动打断CPU运行并请求服务，从而“解放”CPU，使其向IO控制器发送读指令后可以继续做其他有用工作。从IO设备角度看，IO设备从CPU接收一个读指令，从外围设备读取数据，一旦数据读入该IO控制器的数据寄存器，便使得通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已经准备好等待CPU请求数据，然后收到CPU发出的取数据请求之后，把数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。而CPU角度看，CPU发出读指令，保存当前程序上下文，转去执行其他程序，接到IO设备中断时，CPU保存其他程序的上下文，转去执行中断处理程序，这时CPU从IO控制器读取一个字的数据传送到寄存器。中断驱动的方法比直接控制有效，但由于数据的每个字在存储器与IO控制器之间的传输都必须经过CPU，导致CPU时间依然被大量浪费。

DMA方式:在IO设备与内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底解放CPU。特点如下：①基本单位是数据块。②所传送的数据是从设备直接送入内存的（或相反）。③仅在数据块传送的开始和结束，才需要CPU的干预，整块数据的传送时在DMA控制器的控制下完成的。工作过程就是：CPU接到IO设备请求，给IO设备控制器发送一条指令，启动DMA控制器，然后继续其他工作。之后CPU把控制操作委托给DMA控制器，其直接与存储器交互，传送整个数据块，每次传送一个字，过程不需要CPU参与，完成之后DMA控制器发送一个中断信号给CPU。

通道控制方式：IO通道是专门负责IO的处理机，是DMA的发展，进一步减少CPU干预。CPU只需要向IO通道发送一条IO指令，给出其所要执行的通道程序的首地址和要访问的IO设备，通道程序即可执行CPU指定任务，数据传送结束时间向CPU发中断请求。IO通道与一般处理机区别是：通道指令类型单一，没有自己内存，通道执行的程序放在主机内存中。IO通道和DMA区别是：DMA方式需要CPU来控制传输数据块大小，传输内存位置，而通道中这些信息由通道控制的。

总结：

IO软件涉及面很广，跟硬件，用户都由直接交互，与进程管理，存储管理等都有联系，他们都可能需要IO软件来实现IO操作。IO软件普遍采用层次式结构，每层利用下层服务，完成某些功能，并屏蔽细节向上层提供服务。

用户层IO软件：用户交互的接口，用户直接调用。

设备独立性软件：用户程序与设备驱动器的统一接口，设备命令，设备保护，设备分配和释放等。设备独立性也称无关性，使得应用程序独立于使用物理设备，为实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念。应用程序中，使用逻辑设备名来请求某类设备，实际执行时必须把逻辑设备名改为物理设备名使用。

设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动IO设备工作的驱动程序。

中断处理程序：保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完并且恢复被中断进程的现场，返回到被中断环境。

硬件设备：IO设备通常包括一个机械部件和电子部件。

由于IO设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，因此需要多种方法来进行设备控制，这些方法共同组成了OS内核的IO子系统，把内核的其他方面从繁重的IO设备管理中解放，其中IO核心子系统提供的服务主要有IO调度，缓冲与高速缓存，设备分配和回收，假脱机，设备保护和差错处理等。

IO调度就是确定一个好的顺序执行这些IO请求，来改善系统整体性能，使得进程之间公平的共享设备访问，减少IO完成的时间。OS通过为每个设备维护一个请求队列来实现调度，当一个应用程序执行阻塞IO系统调用时，该请求就添加到相应设备的队列上，IO调度会重新安排队列顺序，以改善系统总体效率和平均响应时间。

磁盘高速缓存：OS中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘IO速度，对于高速缓存复制的访问比原始数据访问更高效，例如：正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，又存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。

缓冲区Buffer：设备管理子系统中引入缓冲区的目的是：①缓和CPU与IO设备之间速度不匹配的矛盾。②减少对CPU的中断频率，放款对CPU中断响应时间的限制。③解决基本数据单元大小不匹配的问题。④提高CPU和IO设备之间的并行性。缓冲区的特点：缓冲区的数据非空时不能往中冲入数据，智能把缓冲区把数据传输，为空时可以冲入数据，但必须充满之后才能把数据传出。单缓冲，双缓冲，循环缓冲，缓冲池。

高速缓存和缓冲区的对比：

为了缓和CPU高速性和IO设备低速性之间的矛盾，引入了脱机IO技术，该技术利用专门的外围控制机，把低速IO设备上的数据传送到高速磁盘上，或相反。SPOOLing的意思就是外部设备同时联机操作，又称假脱机IO操作，是一种把独占设备改为共享设备的技术。

①输入井和输出井：输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容IO设备输入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。②输入缓冲区和输出缓冲区：输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区暂存从输出井传来的数据，以后再传送到输出设备。③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，把用户要求数据从输入机通过输入缓冲区送到输入井，当CPU需要输入数据时，直接把输入井数据读入内存。输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出数据从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再输出井中数据经过输出缓冲区送到输出设备。共享打印机就是一个SPOOLing的一个实例。特点就是：提高IO速度，把独占设备改造成共享设备，实现了虚拟设备功能。（CPU要向打印机输出要打印的数据之后，去做其他事情，若此时打印机被占用则SPOOLing系统就把这个打印请求挂到等待队列上，待打印机有空再打印出来，向磁盘输出数据速度比向打印机输出数据速度快，因此节约了时间）

设备分配概述：根据用户的IO请求分配所需的设备，原则就是充分发挥设备的使用效率，尽可能让设备忙碌起来，又要避免由于不合理分配方法造成进程死锁，从设备特性分三类：①独占式设备：比如打印机。②分时式共享设备：设备没有独占要求时，可以通过分时共享使用提高利用率。③以SPOOLing方式使用外部设备：SPOOLing技术即假脱机IO技术，用于对设备的操作，实质上就是对IO操作进行批处理，实质上是空间换时间的技术。（而页置换就是时间换空间）

设备分配的数据结构：主要有设备控制表DCT，控制器控制表COCT，通道控制表CHCT，系统设备表SDT。①设备控制表DCT：一个表代表一个设备，表项就是设备各属性：

②现在IO控制都采用通道控制。设备控制器控制设备与内存交换数据，而设备控制器有需要请求通道为它服务，因此每个COCT必定有一个表项存放指向相应通道控制表CHCT的指针，而一个通道可以为多个设备控制器服务，因此CHCT中必然有一个指针指向一个表，这个表上的信息表达的是CHCT提供服务的几个设备控制器。CHCT和COCT是一对多的关系。

③系统设备表SDT：系统只有一张，记录所有设备情况，每个表目代表一个设备。

分配步骤:

由于系统中进程大于资源数目，引起资源竞争，因此要有一套合理的分配原则，主要考虑因素是：IO设备固有属性，分配算法，安全性，独立性。

设备分配的策略：①原则：根据设备特性，用户要求和系统配置情况。总原则就是：既要充分发挥设备使用效率，又要避免造成进程死锁，还要把用户程序和具体设备隔离开。②分配方式：动态和静态分配。静态分配主要是独占是设备分配，在作业执行前系统一次性分配该作业要求全部设备，一旦分配就不可更改，分配方式不会出现死锁，但设备使用效率低。动态分配在进程执行过程中根据执行需要进行，当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，根据策略给其分配设备，用完立即释放，动态分配有利于提高设备的利用率，若分配算法使用不当有可能造成死锁。③设备分配算法：主要是先请求先分配和优先级高者优先。

设备分配安全性：指的是设备分配中应防止发生进程死锁。①安全分配方式：进程发出IO请求便进入阻塞态，直到IO请求完成才被唤醒。所以一旦进程获得某种设备后便进入阻塞，不请求任何资源。优点就是设备分配安全，缺点就是CPU和IO设备是串行工作的。②不安全分配方式：进程在发出IO请求后继续发出第二个等，仅当进程请求设备已被另一个进程占用时才进入阻塞态，优点就是一个进程可以同时操作多个涉笔，缺点就是可能死锁。

逻辑设备名到物理设备名的映射：为了提高设备分配灵活性和设备利用率，方便实现IO重定向，引入了设备独立性（应用程序独立于具体使用的物理设备），为了实现特性系统中设置了一张逻辑设备表LUT，用于把逻辑设备名映射到物理设备名。LUT表项包括逻辑设备名，物理设备名，设备驱动程序入口地址，进程用逻辑设备名请求设备时，系统分配相应物理设备，并且在LUT建立表项，以后系统在利用逻辑设备名时查找LUT即可找到相应物理设备和驱动程序。可以整个系统一张LUT（单用户系统），也可以一个用户一张LUT。

总结：