01.I/O设备的基本概念和分类

• 什么是I/O设备

  • 将数据Input/Output（输入/输出）计算机的外部设备。

• 按使用特性分类

  • 人机交互类外部设备。
  • 存储设备。
  • 网络通信设备。

• 按传输速率分类

  • 低速设备
  • 中速设备
  • 高速设备

• 按信息交换的单位分类

  • 块设备（传输快，可寻址）。
  • 字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）。

02.I/O控制器

• 主要功能

  • 接受和识别CPU发出的命令（要有控制寄存器）。
  • 向CPU报告设备的状态（要有状态寄存器）。
  • 数据交换（要有数据寄存器，暂存输入/输出的数据）。
  • 地址识别（由I/O逻辑实现）。

• 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）。

• 两种寄存器编址方式

  • 内存映射I/O

    • 控制器中的寄存器与内存统一编址。
    • 可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作。

  • 寄存器独立编址

    • 控制器中的寄存器独立编址。
    • 需要设置专门的指令来操作控制器。

03.I/O控制方式

3.1程序直接控制方式

• 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。
• 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。

3.2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：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。

3.3DMA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）

  • 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送。
  • 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接倒设备。不再需要CPU作为“快递小哥”。
  • 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。
• 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。

3.4通道控制方式

• 通道：一种硬件，可以理解为“弱版的CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令。
• 优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
• 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持。

3.5区别比较

04.I/O软件层次结构

• 用户层软件

  • 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

  • 设备独立性软件，又称设备无关软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。
  • 向上一层提供统一的调用接口。
  • 设备保护。
  • 差错处理。
  • 设备的分配与回收。
  • 数据缓冲区管理。
  • 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。
• 逻辑设备表（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）转化成特点设备“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。
  • 驱动程序一般会以独立进程的方式存在。

• 中断处理程序

  • 当I/O任务完成时，I/O控制器会发生一个中断信号，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。中断处理程序的处理流程如下：

05.I/O核心子系统

06.假脱机技术（SPOOLing技术）

6.1脱机技术

• 外围控制机+更高速的设备——磁带。
• 作用：缓解设备与CPU的速度矛盾，实现预输入、缓输出。

6.2假脱机技术

• 假脱机技术又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术。
• 输入井和输出井——模拟脱机输入/输出时的磁带。
• 输入进程和输出进程——模拟脱机输入/输出时的外围控制机。
• 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”。

6.3共享打印机

• 用SPOOLing技术将独占式的打印机“虚拟”成共享打印机。

07.设备的分配与回收

• 应考虑的因素

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

• 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。

• 设备分配管理中的数据结构

  • 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/等待队列指针。
  • 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。

• 设备分配的步骤

  • 根据进程请求的物理设备名查找SDT。

• 根据SDT找到DCT并分配设备。

• 根据DCT找到COCT并分配控制器。

• 根据COCT找到CHCT并分配通道。

• 注：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，进程页必须阻塞等待。

• 设备分配步骤的改进

  • 用户编程时使用的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）。

  • 逻辑设备表的设置问题

    • 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。

08.缓冲区管理

• 缓冲区的概念

  • 一般利用内存作为缓冲区。
  • 缓解CPU与设备的速度矛盾、减少对CPU的中断频率、解决数据粒度不匹配的问题、提高CPU与I/O设备之间的并行性。

• 单缓冲

  • 设备-（T）-缓冲区-（M）-工作区-（C）-处理。
  • 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。

• 双缓冲

  • 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。

• 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。

• 缓冲池

  • 三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列。

  • 四种工作缓冲区

    • 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。