【操作系统】IO管理

一、I/O控制器

1、主要功能

接受和识别CPU发出的命令（控制寄存器）

向CPU报告设备的状态（状态寄存器)

数据交换（数据寄存器，暂存输入/输出的数据）

地址识别（由I/O逻辑实现)

2、组成

CPU与控制器之间的接口：实现控制器与CPU之间的通信

I/O逻辑：负责识别CPU发出的命令，并向设备发出命令

控制器与设备之间的接口：实现控制器与设备之间的通信

一个I/O控制器可能会对应多个设备

数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个

3、寄存器编址方式

1）内存映射I/O

控制器中的寄存器与内存统一编制

可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作

2）寄存器独立编制

控制器中的寄存器独立编制

需要设置专门的指令来操作控制器

二、I/O控制方式

[计算机组成原理-IO系统]

三、I/O软件层次结构

用户层软件：实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数

设备独立性软件：

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
3. 差错处理
4. 设备的分配与回收
5. 数据缓冲区管理
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

设备驱动程序：设置设备寄存器、检查设备状态

中断处理程序：进行中断处理

硬件：执行I/O操作，有机械部件、电子部件组成

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

没有涉及硬件的、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

四、I/O核心子系统

1、概述

2、假脱机技术

脱机技术：解决设备与CPU的速度矛盾，实现预输入缓输出

假脱机技术：又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术

1. 输入井和输出井：模拟脱机输入/输出时的磁带
2. 输入进程和输出进程：模拟脱机输入/输出时的外围控制机
3. 输入缓冲区和输出缓冲区：内存中的缓冲区，输入、输出时的"中转站"

3、设备的分配与回收

1）考虑的因素

1. 固有属性 ：独占设备、共享设备、虚拟设备（SPOOLing）
2. 分配算法：先来先服务、优先级高者优先、短任务优先等
3. 安全性：安全分配方式、不安全分配方式

2）静态分配与动态分配

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

3）设备分配管理中的数据结构

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）：每个设备对应一张DCT，关键字段：类型/标识符/状态/指向COCT的指针/等待队列指针

控制器控制表（COCT）：每个控制器对应一张COCT，关键字段：状态/指向CHCT的指针/等待队列指针

通道控制表（CHCT）：每个控制器对应一张CHCT，关键字段：状态/待队列指针

系统设备表（SDT）：记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目，关键字段：设备类型/标识符/DCT/驱动程序入口

4）设备分配的步骤

1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT
2. 根据SDT找到DCT并分配设备
3. 根据DCT找到COCT并分配控制器
4. 根据COCT找到CHCT并分配通道

只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送

缺点：用户编程时必须使用"物理设备名"，若换了一个物理设备，则程序无法运行。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

5）设备分配步骤的改进

逻辑设备表（LUT）建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。

用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现从逻辑设备名到物理设备名的映射（通过LUT）

• 整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复
• 每个用户一张LUT：各个用户的逻辑设备名可重复

4、缓冲区管理

1）缓冲区的概念

一般利用内存作为缓冲区

缓冲区作用：

1. 缓解CPU与设备的速度矛盾
2. 减少对CPU的中断频率
3. 解决数据粒度不匹配的问题
4. 提高CPU与I/O设备之间的并行性

2）单缓冲

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。

T > C，因此CPU处理完数据后暂时不能将下一块数据传送到工作区，必须等待缓冲区中冲满数据

T < C，因此缓冲区中冲满数据后暂时不能继续冲入下一块数据，必须等待CPU处理结束后将数据从缓冲区传送到工作区

处理一块数据平均耗时 Max(C, T)+M

分析问题的初始状态：工作区满，缓冲区空

3）双缓冲

T > C + M

T < C + M

处理一块数据平均耗时 Max(T, C+M)

分析问题的初始状态：工作区空，一个缓冲区满，另一个缓冲区空

4）循环缓冲

多个缓冲区链接成循环队列，in指针指向第一个空缓冲区，out指针指向第一个满缓冲区

5）缓冲池

三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列

四个缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区