目錄

• 1. I/O 設備
• • 1.1. I/O 設備的分類
  • • 1.1.1. 按使用特性
    • 1.1.2. 按傳輸速率
    • 1.1.3. 按信息交換的單位
• 2. I/O 控制器
• • 2.1. 機械部件 vs 電子部件
  • 2.2. I/O 控制器的功能
  • 2.3. I/O 控制器的組成
• 3. I/O 控制方式
• • 3.1. 程序直接控制方式
  • 3.2. 中斷驅動方式
  • 3.3. DMA方式
  • 3.4. 通道控制方式
• 4. I/O 軟件層次結構
• 5. I/O 核心子系統
• • 5.1. 假脫機技術（SPOOLing技術）
  • • 5.1.1. 脫機技術
    • 5.1.2. 假脫機技術
• 6. 設備的分配與回收
• • 6.1. 安全分配 vs 不安全分配
  • 6.2. 靜態分配 vs 動態分配
  • 6.3. 設備分配管理中的數據結構
  • • 6.3.1. 設備控制表（DCT）
    • 6.3.2. 控制器控制表（COCT）
    • 6.3.3. 系統設備表（SDT）
  • 6.4. 設備分配的步驟
• 7. 緩沖區管理
• • 7.1. 緩沖區的作用
  • 7.2. 單緩沖
  • 7.3. 雙緩沖
  • 7.4. 循環緩沖區
  • 7.5. 緩沖池

1. I/O 設備

“ I/O ” 就是“ 輸入/輸出 ”（lnput/Output）

I/O 設備就是可以將數據輸入到計算機，或者可以接收計算機輸出數據的外部設備，屬于計算機中的硬件部件。

UNIX系統將外部設備抽象為一種特殊的文件， 用戶可以使用與文件操作相同的方式對外部設備進行操作。

Write：向外部設備寫出數據。

Read：向外部設備讀入數據。

1.1. I/O 設備的分類

1.1.1. 按使用特性

• 人機交互類外設：鼠標、鍵盤、打印機等。—— 用于人機交互 —— 數據傳輸速度慢
• 存儲設備：移動硬盤、光盤等。 —— 用于數據存儲 —— 數據傳輸速度快
• 網絡通信設備：調制解調器等。 —— 用于網絡通信 —— 數據傳輸速度介于上面兩者之間

1.1.2. 按傳輸速率

• 低速設備：鼠標、鍵盤等 —— 傳輸速率為每秒幾個到幾百字節。
• 中速設備：如激光打印機等 —— 傳輸速率為每秒數千至上萬個字節。
• 高速設備：如磁盤等 —— 傳輸速率為每秒數千字至千兆字節。

1.1.3. 按信息交換的單位

• 塊設備：如磁盤等 ―― 數據傳輸的基本單位是 “ 塊” 。—— 傳輸速率較高，可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊。
• 字符設備：鼠標、鍵盤等 ―― 數據傳輸的基本單位是字符。—— 傳輸速率較慢，不可尋址，在輸入/輸出時常采用中斷驅動方式。

2. I/O 控制器

2.1. 機械部件 vs 電子部件

• l/O 設備的機械部件主要用來執行具體 l/O 操作。

如我們看得見摸得著的鼠標/鍵盤的按鈕；顯示器的LED屏；移動硬盤的磁臂、磁盤盤面。

• l/O 設備的電子部件通常是一塊插入主板擴充槽的印刷電路板。

CPU 無法直接控制 I/O 設備的機械部件，因此 I/O 設備還要有一個電子部件作為 CPU 和 I/O 設備機械部分之間的 “中介”, 用于實現CPU對設備的控制。

這個電子部件就是 I/O 控制器，又稱設備控制器。

CPU可控制 I/O 控制器，又由 I/O 控制器來控制設備的機械部件。

2.2. I/O 控制器的功能

1、接受和識別 CPU 發出的命令

? 如 CPU 發來的 read/write 命令，I/O 控制器中會有相應的控制寄存器來存放命令和參數。

2、向 CPU 報告設備的狀態

? I/O 控制器中會有相應的狀態寄存器，用于記錄 I/O 設備的當前狀態。如：1表示空閑，0表示忙碌。

3、數據交換

? I/O 控制器中會設置相應的數據寄存器。

? 輸出時，數據寄存器用于暫存CPU發來的數據，之后再由控制器傳送設備。

? 輸入時，數據寄存器用于暫存設備發來的數據，之后CPU從數據寄存器中取走數據。

4、地址識別

? 類似于內存的地址，為了區分設備控制器中的各個寄存器，也需要給各個寄存器設置一個特定的“地址”。

? I/O 控制器通過 CPU 提供的 “ 地址 ” 來判斷 CPU 要讀/寫的是哪個寄存器。

2.3. I/O 控制器的組成

1、 CPU與控制器的接口：用于實現 CPU 與控制器之間的通信，CPU 通過控制線發出命令，通過地址線指明要操作的設備，通過數據線來取出輸入數據，或放入輸出數據。

2、 I/O邏輯：負責接收和識別 CPU 的各種命令, 并負責對設備發出命令。

3、 控制器與設備的接口：用于實現控制器與設備之間的通信。

值得注意的小細節：

① 一個 I/O 控制器可能會對應多個設備；

② 數據寄存器、控制寄存器、狀態寄存器可能有多個（如：每個控制/狀態寄存器對應一個具體的設備），且這些寄存器都要有相應的地址，才能方便CPU操作。有的計算機會讓這些寄存器占用內存地址的一部分，稱為內存映像 I/O；另一些計算機則采用 I/O 專用地址，即寄存器獨立編址。

3. I/O 控制方式

即用什么樣的方式來控制 I/O 設備的數據讀/寫。

3.1. 程序直接控制方式

通過 輪詢 實現，以讀操作為例。

數據傳送的單位：每次讀/寫一個字。

數據的流向：

? 讀操作（數據輸入）：I/O 設備 → CPU → 內存

? 寫操作（數據輸出）：內存 → CPU → I/O 設備

每個字的讀/寫都需要CPU的幫助。

優點：實現簡單。在讀/寫指令之后，加上實現循環檢查的一系列指令即可。（因此才稱為“程序直接控制方式”）

缺點：CPU 和 I/O 設備只能I/O串行工作，CPU 需要一直輪詢檢查，長期處于"忙等"狀態，CPU 利用率低。

3.2. 中斷驅動方式

引入中斷機制。

由于 I/O 設備速度很慢，因此在 CPU 發出讀/寫命令后，可將等待 I/O 的進程阻塞，先切換到別的進程執行。當 I/O 完成后，控制器會向 CPU 發出一個中斷信號，CPU檢測到中斷信號后，會保存當前進程的運行環境信息，轉去執行中斷處理程序處理該中斷。

處理中斷的過程中，CPU從 I/O 控制器讀一個字的數據傳送到 CPU 寄存器，再寫入主存。接著，CPU恢復等待 I/O 的進程（或其他進程）的運行環境，然后繼續執行。

注意：

① CPU 會在每個指令周期的末尾檢查中斷；

② 中斷處理過程中需要保存、恢復進程的運行環境,這個過程是需要一定時間開銷的。可見，如果中斷發生的頻率太高，也會降低系統性能。

CPU干預的頻率：

每次 I/O 操作開始之前、完成之后需要 CPU 介入。

等待 I/O 完成的過程中 CPU 可以切換到別的進程執行。

數據傳送的單位：每次讀/寫一個字。

數據的流向：

? 讀操作（數據輸入）：I/O 設備 → CPU → 內存

? 寫操作（數據輸出）：內存 → CPU → I/O 設備

優點：與 “ 程序直接控制方式 ” 相比，在“中斷驅動方式”中，I/O 控制器會通過中斷信號主動報告I/O 已完成，CPU不再需要不停地輪詢。CPU 和 I/O 設備可并行工作，CPU利用率得到明顯提升。

缺點：每個字在 I/O 設備與內存之間的傳輸，都需要經過 CPU。而頻繁的中斷處理會消耗較多的CPU時間。

3.3. DMA方式

DMA方式（Direct Memory Access，直接存儲器存取）。

主要用于塊設備的 I/O 控制，相對于 “中斷驅動方式 ” 有這樣幾個改進：

① 數據的傳送單位是 “ 塊 ”。不再是一個字、一個字的傳送；

② 數據的流向是從設備直接放入內存，或者從內存直接到設備。不再需要 CPU 作為“快遞小哥”

③ 僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需要CPU干預。

• DR (Data Register，數據寄存器)：暫存從設備到內存，或從內存到設備的數據。

• MAR (Memory Address Register，內存地址寄存器)：在輸入時，MAR表示數據應放到內存中的什么位置；輸出時MAR表示要輸出的數據放在內存中的什么位置。

• DC(Data Counter，數據計數器)：表示剩余要讀/寫的字節數。

• CR (Command Register，命令/狀態寄存器)：用于存放 CPU 發來的 I/O 命令，或設備的狀態信息。

CPU干預的頻率：僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需要CPU干預。

數據傳送的單位：每次讀/寫一個或多個塊

• 每次讀寫的只能是連續的多個塊，且這些塊讀入內存后在內存中也必須是連續的

數據的流向：

讀操作（數據輸入）： I/O 設備 → 內存

寫操作（數據輸出）：內存 → I/O 設備

優點：數據傳輸以“塊”為單位，CPU 介入頻率進一步降低。數據的傳輸不再需要先經過 CPU 再寫入內存，數據傳輸效率進一步增加。CPU 和 I/O 設備的并行性得到提升。

缺點：CPU 每發出一條 I/O 指令，只能讀/寫一個或多個連續的數據塊。如果要讀/寫多個離散存儲的數據塊，或者要將數據分別寫到不同的內存區域時，CPU要分別發出多條 I/O 指令，進行多次中斷處理才能完成。

3.4. 通道控制方式

通道：一種硬件，可以理解為是 “ 弱雞版的 CPU ”。通常可以識別并執行一系列的通道指令。

與 CPU 相比，通道可以執行的指令很單一，并且通道程序是放在主機內存中的，也就是說通道與CPU 共享內存。

CPU 干預的頻率：極低，通道會根據 CPU 的指示執行相應的通道程序，只有完成一組數據塊的讀/寫后才需要發出中斷信號，請求 CPU 干預。

數據傳送的單位：每次讀/寫一組數據塊。

數據的流向〈在通道的控制下進行)

讀操作（數據輸入）：I/O 設備 → 內存

寫操作（數據輸出）：內存 → I/O 設備

優點：CPU、通道、I/O 設備可并行工作，資源利用率很高。

缺點：實現復雜，需要專門的通道硬件支持。

4. I/O 軟件層次結構

• 越上面的層次越接近用戶，越下面的層次越接近硬件。
• 每一層會利用下層提供的服務，實現某些功能，并屏蔽實現的具體細節，向高層提供服務（封裝思想）。

用戶層軟件：實現與用戶交互的接口，向上提供方便易用的庫函數。

設備獨立性軟件：

① 向上層提供統一的調用接口（如read/write系統調用）；

② 設備的保護；

③ 差錯處理；

④ 設備的分配與回收；

⑤ 數據緩沖區管理；

⑥ 建立邏輯設備名到物理設備名的映射關系；根據設備類型選擇調用相應的驅動程序……

設備驅動程序：設置設備寄存器、檢查設備狀態。

中斷處理程序：進行中斷處理。

硬件：執行 I/O 操作，有機械部分、電子部分組成。

5. I/O 核心子系統

I/O 核心子系統要實現的功能其實就是中間三層要實現的功能。

I/O 調度：用某種算法確定一個好的順序來處理各個 I/O 請求。（比如磁盤調度）

設備保護：

操作系統需要實現文件保護功能，不同的用戶對各個文件有不同的訪問權限。

在 UNIX 系統中，設備被看做是一種特殊的文件，每個設備也會有對應的FCB。

當用戶請求訪問某個設備時，系統根據FCB中記錄的信息來判斷該用戶是否有相應的訪問權限，以此實現“設備保護”的功能。

5.1. 假脫機技術（SPOOLing技術）

5.1.1. 脫機技術

5.1.2. 假脫機技術

“假脫機技術”，又稱“SPOOLing 技術”，用軟件的方式模擬脫機技術。SPOOLing 系統的組成如下：

打印機是一種 " 獨占式設備 "，但是可以用SPOOLing技術改造成 " 共享設備 "。

6. 設備的分配與回收

6.1. 安全分配 vs 不安全分配

從進程運行的安全性上考慮，設備分配有兩種方式：

1、安全分配方式：為進程分配一個設備后就將進程阻塞，本次 I/O 完成后才將進程喚醒。

一個時段內每個進程只能使用一個設備

優點：破壞了 “ 請求和保持 ” 條件，不會死鎖。

缺點：對于一個進程來說，CPU 和 I/O 設備只能串行工作。

2、不安全分配方式：進程發出 I/O 請求后，系統為其分配 I/O 設備，進程可繼續執行，之后還可以發出新的 I/O 請求。只有某個 I/O 請求得不到滿足時才將進程阻塞。

一個進程可以同時使用多個設備

優點：進程的計算任務和 I/O 任務可以并行處理，使進程迅速推進。

缺點：有可能發生死鎖（死鎖避免、死鎖的檢測和解除)。

6.2. 靜態分配 vs 動態分配

靜態分配：進程運行前為其分配全部所需資源，運行結束后歸還資源。

動態分配：進程運行過程中動態申請設備資源

6.3. 設備分配管理中的數據結構

設備、控制器、通道之間的關系

一個通道可控制多個設備控制器，每個設備控制器可控制多個設備。

6.3.1. 設備控制表（DCT）

系統為每個設備配置一張DCT，用于記錄設備情況。

6.3.2. 控制器控制表（COCT）

每個設備控制器都會對應一張COCT。操作系統根據COCT的信息對控制器進行操作和管理。

6.3.3. 系統設備表（SDT）

記錄了系統中全部設備的情況，每個設備對應一個表目。

6.4. 設備分配的步驟

① 根據進程請求的物理設備名查找SDT。（注：物理設備名是進程請求分配設備時提供的參數）

② 根據SDT找到DCT，若設備忙碌則將進程PCB掛到設備等待隊列中，不忙碌則將設備分配給進程。

③ 根據DCT找到COCT，若控制器忙碌則將進程PCB掛到控制器等待隊列中，不忙碌則將控制器分配給進程。

④ 根據COCT找到CHCT，若通道忙碌則將進程PCB掛到通道等待隊列中，不忙碌則將通道分配給進程。

缺點：

① 用戶編程時必須使用 “ 物理設備名 ”，底層細節對用戶不透明，不方便編程。

② 若換了一個物理設備，則程序無法運行。

③ 若進程請求的物理設備正在忙碌，則即使系統中還有同類型的設備，進程也必須阻塞等待。

改進方法：

建立邏輯設備名與物理設備名的映射機制，用戶編程時只需提供邏輯設備名。

7. 緩沖區管理

緩沖區是一個存儲區域，可以由專門的硬件寄存器組成，也可以利用內存作為緩沖區。

使用硬件作為緩沖區的成本較高，容量較小， 一般僅用在對速度要求非常高的場合。

比如聯想寄存器 ( 快表 ) 就是硬件作為緩沖區。

一般情況下， 更多的是利用內存作為緩沖區。

7.1. 緩沖區的作用

7.2. 單緩沖

假設某用戶進程請求某種塊設備讀入若干塊的數據。若采用單緩沖的策略，操作系統會在主存中為其分配一個緩沖區（若題目中沒有特別說明，一個緩沖區的大小就是一個塊）。

當緩沖區數據非空時，不能往緩沖區沖入數據，只能從緩沖區把數據傳出；

當緩沖區為空時，可以往緩沖區沖入數據，但必須把緩沖區充滿以后，才能從緩沖區把數據傳出。

7.3. 雙緩沖

假設某用戶進程請求某種塊設備讀入若干塊的數據。若采用雙緩沖的策略，操作系統會在主存中為其分配兩個緩沖區（若題目中沒有特別說明，一個緩沖區的大小就是一個塊)。

7.4. 循環緩沖區

將多個大小相等的緩沖區鏈接成一個循環隊列。
注：以下圖示中，橙色表示已充滿數據的緩沖區，綠色表示空緩沖區。

7.5. 緩沖池

緩沖池由系統中共用的緩沖區組成。

這些緩沖區按使用狀況可以分為：

1、空緩沖隊列

2、裝滿輸入數據的緩沖隊列（輸入隊列）

3、裝滿輸出數據的緩沖隊列（輸出隊列）。

根據一個緩沖區在實際運算中扮演的功能不同，又設置了四種工作緩沖區：

1、用于收容輸入數據的工作緩沖區（hin)

2、用于提取輸入數據的工作緩沖區（sin)

3、用于收容輸出數據的工作級沖區( hout）

4、用于提取輸出數據的工作緩沖區（sout）。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统 —— 设备管理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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