01.I/O设备的基本概念和分类

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。

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。

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：

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。

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。

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。