第五章-输入输出管理

5.1 I/O管理概述

I/O设备按使用特性分为：人机交互类外部设备，存储设备，网络通信设备； 块设备：信息存取以块为单位，传输速率高，磁盘； 字符设备：打印机，传输速率低

I/O模型

同步I/O：CPU不断检查I/O是否完成

异步I/O：CPU正常运行，I/O完成后通知CPU

I/O控制方式

（1）程序控制方式

计算机每次从外设读一个字的数据到存储器，CPU循环检查外设状态，直到该字已经在I/O控制器（设备控制器）的数据寄存器中

（2）中断驱动方式

CPU向I/O控制器发送读命令，I/O控制器读数据，当读入数据寄存器后，通过控制线向CPU发送一个中断信号。

在每个指令周期末尾，CPU检查中断，检测到中断后，CPU发送取数请求，I/O控制器把数据发到数据总线，再到CPU的寄存器，存入主存。这样数据中每个字存储都要经过CPU

（3）DMA方式

DMA：Direct Memory Access，直接存储器访问

DMA控制器直接与存储器交互， 一次只能传送一个数据块或多个连续的数据块，传送完成后产生中断（而中断驱动是传送前产生中断）

DMA控制器以字为单位从外设输入，以块为单位输出给主存。

（4）通道方式

通道是一种硬件，相当于弱化版CPU，有通道指令。

CPU写好的通道程序放在主存中

CPU把一组任务交给通道，通道执行通道程序，控制设备控制器，可以传送不连续的多个数据块，传送完成后产生中断

DMA需要CPU告知控制器传输的数据块大小和内存位置，而通道可以自己控制这些信息

通道拥有的数据结构：设备控制表，控制器控制表，通道控制表，系统设备表

I/O子系统的层次结构

从上到下：

• 用户层I/O软件：与用户交互的接口，用户使用I/O相关库函数来操作，如read，write命令接口

• 系统调用处理程序（设备无关软件层）：用户程序使用系统调用（如sys_read），本层将其翻译成设备操作命令（read）。执行所有设备的公共操作，例如设备的分配回收，将逻辑设备名（给用户看的）映射到物理设备名等

  逻辑设备表LUT：【逻辑设备名|物理设备名|驱动程序入口地址】

• 设备驱动程序：接收上层软件发来的I/O请求，根据不同设备将read命令转为不同要求后，控制I/O设备工作。（不同设备的寄存器有区别，所以需要封装这些差别）

• 中断处理程序：CPU上下文切换，转而执行read命令。读取设备状态，正常则把数据送入内存，异常则处理。

• 硬件设备：命令抵达设备，设备控制器对设备进行控制

设备独立性软件，设备驱动程序，中断处理程序称为I/O核心子系统

设备控制器的组成

• 与CPU的接口：数据寄存器，状态寄存器，三总线
• 与设备的接口：数据、控制、状态三种信号
• I/O逻辑：控制设备，CPU将io命令发给io逻辑，译码后进行控制

5.2 I/O核心子系统

设备独立性软件，设备驱动程序，中断处理程序称为I/O核心子系统

设备独立性指的是：用户编程时只需知道设备类型，不用知道具体的设备

I/O调度：确定I/O请求执行顺序

设备保护：设备也有用户访问权限

缓冲区

目的：

• 缓解CPU和io设备速度不匹配：CPU先将数据送到缓冲区，然后做别的事，缓冲区再和io设备交互
• 减少CPU中断次数，磁盘io次数
• 增加基本数据单元大小：CPU不用按字读入数据

缓冲区在内存中，默认缓冲区大小是一块。装满才能输出，空了才能装入

设一块数据装入缓冲区的时间为T，缓冲区到用户区的时间为M，CPU处理数据的时间为C。【顺序：TMC】

求每种缓冲技术每块数据的处理时间。P305

• 单缓冲：M+max{C,T}，因为C和T有重合
• 双缓冲：max{T,M+C}

注意：题目中要求n块的时间时

• 单缓冲：

  $$n(M+\max\{C,T\})+\min\{C,T\}$$

• 双缓冲：

  $$n\max\{T,M+C\}$$

循环缓冲：多个缓冲区形成循环链表

缓冲池：分为缓冲队列，输入队列，输出队列

设备分配与回收

1.设备分为独占设备（打印机），共享设备（磁盘），虚拟设备（采用SPOOLing将独占改造为共享）

2.设备分配的数据结构

一个通道服务多个设备控制器，一个设备控制器控制多个设备

每个设备有一个设备控制表DCT，每个设备控制器有一个控制器控制表COCT，每个通道有一个通道控制表CHCT，整个系统有一个系统设备表SDT

分配步骤：

• 根据进程请求的设备名在SDT中找到对应设备的DCT地址
• 在DCT中检查设备状态，若空闲则分配设备，否则将进程的PCB挂到该设备的阻塞队列中
• 根据DCT找COCT，若空闲则分配设备控制器，否则将进程的PCB挂到该设备的阻塞队列中
• 根据COCT找CHCT，若空闲则分配通道，否则将进程的PCB挂到该设备的阻塞队列中

3.设备分配方式

静态分配：作业执行前就分配所有需要的设备

动态分配：执行中分配

4.设备分配的安全性

安全分配：进程发出io请求后进入阻塞态，直到io操作完成才唤醒

不安全分配：进程发出io请求后继续运行，一个进程可操作多个设备（可能死锁，需要银行家算法避免死锁）

5.逻辑设备表LUT：进程用逻辑设备名来请求设备，系统在LUT中加入一项记录逻辑设备名-物理设备名的映射

假脱机技术（SPOOLing）

目的是将独占设备改造成共享设备

脱机：由于CPU与低速设备之间的输入输出耗时很多，这段时间CPU不能做别的事，所以CPU先将数据传送到高速磁盘上，再送到设备

假脱机SPOOLing：在磁盘上开辟两个区域，称为输入井和输出井，模拟脱机技术的输入磁盘和输出磁盘

输入：输入设备先将数据送到内存的输入缓冲区，再送入输入井，CPU需要数据时，将数据从输入井读入内存

输出：用户进程先将数据输出到输出井，输出设备空闲时，在将输出井的数据经过输出缓冲区送到输出设备

实例：共享打印机，实现多用户使用同一个打印机。输出进程在输出井申请一个空闲块，将要打印的数据送入其中；输出进程为用户进程申请一张用户请求打印表（记载数据在输出井中的位置），将表挂到请求打印队列上；队列依次打印

假脱机和缓冲的不同在于：假脱机可以同时进行一个进程的io和另一个进程的计算，而缓冲只能同时进行一个进程的io和计算

假脱机的作用：提高设备利用率；多道程序作用：提高CPU利用率

假脱机不需要外围计算机