1、I/O设备的基本概念与分类

 概念：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、字符设备

2、I/O控制器

2.1 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)

2.2 控制器的组成

• 地址识别( 由I/O逻辑实现)
• 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)

2.3 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制，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

3、I/O控制方式

	完成一次读/写的过程	CPU干预频率	每次I/O的数据传输单位	数据流向
程序直接控制方式	CPU发出I/O指令后需要不断轮询	高	字	设备→CPU→内存
中断驱动方式	CPU发出I/O指令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号	高	字	设备→CPU→内存
DMA方式	CPU发出I/O指令后可以做其他事，本次I/O完成后DMA控制器发出中断信号	中	块	设备→内存
通道控制方式	CPU发出I/O指令后可以做其他事，通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号	低	一组块	设备→内存

4、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
  • 向上层提供统一的调用接口
  • 设备的保护
  • 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
  • …
• 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，由机械部件、电子部件组成

​  属于操作系统内核部分的也称为I/O核心子系统

用户发出I/O请求，处理的具体过程：

• 用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求
• 用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务
• 设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序
• 驱动程序向I/O控制器发出具体命令
• 等待I/O完成的进程应该被阻塞，因此需要进程切换，而进程切换必然需要中断处理

5、I/O核心子系统的核心功能

5.1 假脱机技术

​  又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术

• 输入井和输出井一模拟脱机输入/输出时的磁带
• 输入进程和输出进程一-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-一内存中的缓冲区, 输入、输出时的“中转站”

5.2 设备的分配与回收

5.2.1 设备分配时需要考虑的因素

（1）设备的固有属性

• 独占设备：一个时段只能分配给一个进程(如打印机)
• 共享设备：可同时分配给多个进程使用(如磁盘)，各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用
• 虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用(如采用SPOOLing 技术实现的共享打印机)

（2）设备分配算法

• 先来先服务
• 优先级高者优先
• 短任务优先
• …

（3）设备分配的安全性

• 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒
• 不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞

5.2.2 静态/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

5.2.3 分配中的数据结构

（1）设备控制表(DCT)：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况

（2）控制器控制表(COCT)：每个设备控制器都会对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理

（3）通道控制表(CHCT)：每个通道都会对应一张CHCT，操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理

（4）系统设备表(SDT) ：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目

（5）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

5.2.4 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

   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

   改进：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)

5.3 缓冲区管理

 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区

5.3.1 缓冲区的作用

• 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
• 解决数据粒度不匹配的问题
• 提高CPU与I/0设备之间的并行性

5.3.2 缓存区的类型

• 单缓冲
• 双缓冲
• 循环缓冲
• 缓冲池

 单缓冲示意图

 缓冲池示意图