王道考研视频——操作系统笔记第六章：IO设备管理

操作系统第六章：IO设备管理【有笔记，截图，还有王道课本的概念】！！！
王道考研视频——操作系统笔记，第六章：IO设备管理

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6.1 输入输出（I/O）管理

6.1.1 I-O 设备的概念和分类

按使用特性可分为以下类型

1）人机交互类外部设备：用于与计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换的。

2）存储设备：用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常以多字节组成的块为单位进行数据交换。

3）网络通信设备：用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。

除了上面最常见的分类方法，I/O设备还可以按以下方法分类

按传输速率分类

1）低速设备：传输速率仅为每秒几个到数百个字节的一类设备，如键盘、鼠标等。

2）中速设备：传输速率在每秒数千个字节至数万个字节的一类设备，如行式打印机、激光打印机等

3）高速设备：传输速率在数百个千字节至千兆字节的一类设备，如磁带机、磁盘机、光盘机等。

按信息交换的单位分类

1）块设备：由于信息的存取总是以数据块为单位的，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高，以及可寻址，即对它可随机地读/写任一块

2）字符设备：用于数据输入输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入输出时常采用中断驱动方式。

6.1.2 I-O 控制器

6.1.3 I-O 控制方式

设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送。外围设备和内存之间的输入输出控制方式有四种，下面分别介绍。

程序直接控制方式

如图5-1（a）所示，计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要

对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在IO控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于

CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，

造成了CPU资源的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中没有

采用中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。

中断驱动方式

中断驱动方式的思想是，允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。如图5-1（b）所示，我们从I/O控制器和CPU两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程：从I/O控制器的角度来看，I/O控制器从CPU接收一个读命令，然后从外围设备读数据，一旦数据读入到该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。

I/O控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可开始下一次I/O操作。

从CPU的角度来看，CPU发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文（现场，包括程序计数器及处理机寄存器），转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU检查中断。当有来自I/O控制器的中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序处理该中断。

这时，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着，CPU恢复发出I/O命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。

DMA方式

在中断驱动方式中，I/O设备与内存之间的数据交换必须要经过CPU中的寄存器，所以速度还是受限，而DMA（直接存储器存取）方式的基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放”CPU.DMA方式的特点是：

1）基本单位是数据块

2）所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。

3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。

通道控制方式

6.1.4 I-O 软件层次结构

6.1.5 I-O 核心子系统

由于I/O设备种类繁多，功能和传输速率差异巨大，需要多种方法来进行设备控制。这些方法共同组成了操作系统内核的I/O子系统，它将内核的其他方面从繁重的I/O设备管理中解放出来。I/O核心子系统提供的服务主要有：IO调度、缓冲与高速缓存、设备分配与回收、假脱机、设备保护和差错处理等。

6.1.6 假脱机技术

为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾而引入了脱机输入/输出技术。

该技术是利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；或者相反。 SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称为假脱机输入输出操作，是操作系统中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。

输入井和输出井

输入缓冲区和输出缓冲区

在内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。

输入进程和输出进程

输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备

6.1.7 设备的分配与回收

设备分配概述

设备分配是指根据用户的I/O请求分配所需的设备。分配的总原则是充分发挥设备的使用效率，尽可能地让设备忙碌，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁。从设备的特性来看，采用下述三种使用方式的设备分别称为独占设备、共享设备和虚拟设备。

1）独占式使用设备。指在申请设备时，如果设备空闲，就将其独占，不再允许其他进程申请使用，一直等到该设备被释放才允许其他进程申请使用。例如，打印机，在使用它打印时，只能独占式使用，否则在同一张纸上交替打印不同任务的内容，无法正常阅读。

2）分时式共享使用设备。独占式使用设备时，设备利用率很低，当设备没有独占使用的要求时，可以通过分时共享使用提高利用率。例如，对磁盘设备的I/O操作，各进程的每次I/O操作请求可以通过分时来交替进行。

3）以 SPOOLing方式使用外部设备。

SPOOLing（ Simultaneous Peripheral Operation On-Line）技术是在批处理操作系统时代引入的，即假脱机IO技术。这种技术用于对设备的操作，实质上就是对I/O操作进行批处理。

SPOOLing技术实质上是一种以空间换时间的技术，而我们熟悉的请求分页系统中的页面调度算法就刚好相反，是以时间换空间的技术。

设备分配的数据结构

设备分配的策略

1）设备分配原则：设备分配应根据设备特性、用户要求和系统配置情况。

分配的总原则：既要充分发挥设备的使用效率，又要避免造成进程死锁，还要将用户程序和具体设备隔离开。

2）设备分配方式：设备分配方式有静态分配和动态分配两种：

静态分配主要用于对独占设备的分配，它在用户作业开始执行前，由系统一次性分配该作业所要求的全部设备、控制器（如通道等）.一旦分配后，这些设备、控制器（和通道）就一直为该作业所占用，直到该作业被撤销。

静态分配方式不会出现死锁，但设备的使用效率低。因此，静态分配方式并不符合分配的总原则。

动态分配是在进程执行过程中根据执行需要进行分配。当进程需要设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，由系统按照事先规定的策略给进程分配所需要的设备、IO控制器，一旦用完之后，便立即释放。

动态分配方式有利于提高设备的利用率，但如果分配算法使用不当，则有可能造成进程死锁。

3）设备分配算法：常用的动态设备分配算法有先请求先分配、优先级高者优先等。

对于独占设备，既可以采用动态分配方式也可以采用静态分配方式，往往采用静态分配方式，即在作业执行前，将作业所要用的这一类设备分配给它。

共享设备可被多个进程所共享，一般采用动态分配方式，但在每个I/O传输的单位时间内只被一个进程所占有，通常采用先请求先分配和优先级高者优先的分配算法

设备分配的安全性

设备分配的安全性是指设备分配中应防止发生进程死锁。

1）安全分配方式：每当进程发出I/O请求后便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。这样，一旦进程已经获得某种设备后便阻塞，不能再请求任何资源，而且在它阻塞时也不保持任何资源。

优点是：设备分配安全：缺点是CPU和I/O设备是串行工作的（对同一进程而言）

2）不安全分配方式：进程在发出I/O请求后继续运行，需要时又发出第二个、第三个I/O请求等。仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞状态。

优点是一个进程可同时操作多个设备，从而使进程推进迅速；缺点是：这种设备分配有可能产生死锁。

逻辑设备名到物理设备名的映射

为了提高设备分配的灵活性和设备的利用率、方便实现I/O重定向，因此引入了设备独立性。设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性，在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置张逻辑设备表（ Logical Unit Table，LUT），用于将逻辑设备名映射为物理设备名。

LUT表项包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址；当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表项，以后进程再利用逻辑设备名请求IO操作时，系统通过查找LUT来寻找相应的物理设备和驱动程序。

在系统中可采取两种方式建立逻辑设备表

1）在整个系统中只设置一张LUT这样，所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，故不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统中。

2）为每个用户设置一张LUT.当用户登录时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并将该表放入进程的PCB中。

6.1.8 缓冲区管理

磁盘高速缓存（ Disk Cache）

操作系统中使用磁盘高速缓存技术来提高磁盘的I/O速度，对高速缓存复制的访问要比原始数据访问更为高效。

例如，正在运行的进程的指令既存储在磁盘上，也存储在物理内存上，也被复制到CPU的二级和一级高速缓存中。不过，磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息。

因此，磁盘高速缓存在逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。高速缓存在内存中分为两种形式：

一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定；

另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时共享。

缓冲区（ Buffer）

在设备管理子系统中，引入缓冲区的目的主要有：

1）缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

2）减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制

3）解决基本数据单元大小（即数据粒度）不匹配的问题。

4）提高CPU和I/O设备之间的并行性

其实现方法有：

1）采用硬件缓冲器，但由于成本太高，除一些关键部位外，一般不采用硬件缓冲器。

2）采用缓冲区（位于内存区域）

缓冲区有一个特点，当缓冲区的数据非空的时候，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。

根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可以分为

1）单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲区。设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区取走数据。

2）双缓冲：根据单缓冲的特点，CPU在传送时间M内处于空闲状态，由此引入双缓冲。I/O设备输入数据时先装填到缓冲区1，在缓冲区1填满后才开始装填缓冲区2，与此同时处理机可以从缓冲区1中取出数据放入用户进程处理，当缓冲区1中的数据处理完后，若缓冲区2已填满，则处理机又从缓冲区2中取出数据放入用户进程处理，而IO设备又可以装填缓冲区1

要注意，必须等缓冲区2充满才能让处理机从缓冲区2取出数据。双缓冲机制提高了处理机和输入设备的并行操作的程度

3）循环缓冲：包含多个大小相等的缓冲区，每个缓冲区中有一个链接指针指向下一个缓冲，最后一个缓冲区指针指向第一个缓冲区，多个缓冲区构成一个环形。

循环缓冲用于输入输出时，还需要有两个指针in和out，对输入而言，首先要从设备接收数据到缓冲区中，in指针指向可以输入数据的第一个空缓冲区；当运行进程需要数据时，从循环缓冲区中取一个装满数据的缓冲区，并从此缓冲区中提取数据，out指针指向可以提取数据的第一个满缓冲区。输出则正好相反.

4）缓冲池：由多个系统公用的缓冲区组成，缓冲区按其使用状况可以形成三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）和装满输出数据的缓冲队列（输出队列）.还应具有四种缓冲区：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及用于提取输出数据的工作缓冲区.