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输入/输出设备

概述​

I/O 设备​

tip

I/O 设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战的部分，因为其包含了很多领域的不同设备及其相关应用程序，很难有一个通用且一直的方案。

分类

按照信息交换的单位分类：

  1. 块设备，以数据块为单位，属于有结构设备，如磁盘等，传输速率较高，可寻址（即可随机地读写任意一块）；
  2. 字符设备，无结构，如交互式终端、打印机等，速率较低，不可寻址，常使用终端 I/O 方式； 按照速率分类：
  3. 低速设备，几到几百 b/sb/s，如键盘鼠标等；
  4. 中速设备，数千到数万 b/sb/s，如激光打印机等；
  5. 高速设备，数百千之千兆 b/sb/s，如磁盘机和光盘机等。

I/O 接口

I/O 接口是一个 设备控制器，位于 CPU 和设备之间，既要与 CPU 通信，又要与设备通信，还能按照 CPU 发来的命令控制设备工作。

I/O 接口有单独的数据寄存器和控制/状态寄存器，用于传输数据或存储控制信息和状态信息；一个设备控制器可以连接多个设备，因此有一个或多个设备接口，每个接口中都存在数据、状态和控制三种类型的信号。

I/O 逻辑实现对设备的控制，通过一组控制器与 CPU 交互，将 CPU 的 I/O 命令进行译码。

设备控制器的主要功能有：

  1. 接受和识别 CPU 的命令，如磁盘控制器能接受读、写、查找等；
  2. 数据交换，设备和控制器之间、控制器和主存之间的数据传输；
  3. 表示和报告设备状态；
  4. 地址识别；
  5. 数据缓冲；
  6. 差错控制。

I/O 端口

指的是设备控制器当中可被 CPU 直接访问的 寄存器：

  1. 数据寄存器，实现 CPU 和外设之间的缓冲；
  2. 状态寄存器，获取执行结果和设备状态，让 CPU 知道是否准备好；
  3. 控制寄存器，由 CPU 写入，一边启动命令或更改设备模式；

为了实现 CPU 和 I/O 端口的通信有两种方式：

  1. 独立编址，为每个端口分配一个 I/O 端口号，所有的 I/O 端口形成 I/O 端口扣减，普通用户程序不能访问，只有操作系统使用特殊的 I/O 指令才能访问；
  2. 统一编址，有称为 内存映射 I/O，每个端口被分配唯一的内存地址，该地址不会被实际分配给其他内存，通常分配给端口的地址靠近地址空间的顶端；

I/O 控制方式​

见 此

I/O 软件层次结构​

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I/O 软件涉及面很宽，向下与硬件密切相关，向上与虚拟存储器系统、文件系统和用户直接交互；目前普遍采用层次结构设计，煤层利用下层提供的服务：

  1. 用户 I/O 软件，实现与用户交互的接口，一般大部分都实现在操作系统内部，用户层软件必须通过系统调用获取服务；
  2. 设备独立性软件，用于实现用户程序和设备驱动器的统一接口、设备命令、设备的保护及设备的分配和释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间；又称为 设备无关性，使得应用程序独立于具体使用的物理设备；在应用程序中可是使用逻辑设备名来请求某种设备，系统实际执行时转换为物理设备名；逻辑设备名可以增加设备分配的灵活性，易于实现 I/O 重定向（改变具体设备，而不必改变应用程序）；
  3. 设备驱动程序，与硬件直接相关，负责具体实现对设备发出的操作指令，驱动 I/O 设备工作的驱动程序；通常每类设备配置一个设备驱动程序，是 I/O 进程与设备控制器之间的通信程序，通常以进程的形式存在；向上提供接口，向下和设备控制器通信；可以隐藏 I/O 内核子系统和设备控制器的差异；
  4. 中断处理程序，保存被中断进程的 CPU 环境，转入相应的中断处理程序，处理完毕后恢复现场，返回被中断进程；中断处理层的重要任务有，进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等；
  5. 硬件

应用程序与 I/O 接口​

字符设备接口，以字符为单位、如键盘打印机，传输速率较低，不可寻址，常采用中断驱动方式；

块设备接口，以数据块为单位，如磁盘，传输速率高、可寻址，常采用 DMA 方式；

网络设备接口，网络套接字接口，通过套接字进行连接和发送数据；

阻塞/非阻塞 I/O，调用 I/O 时进程会被阻塞，需要等待 I/O 操作完成；非阻塞就是 I/O 时进程不阻塞，完成后返回错误返回值，通常进程通过轮询方式查询 I/O 是否完成；大多数操作系统都采用阻塞式。

设备独立性软件​

总体而言，设备独立性软件包括执行所有设备公有操作的软件；

高速缓存与缓冲区​

磁盘高速缓存，利用内存中的一块空间作为缓存，因此逻辑上属于磁盘，物理上是驻留在内存的盘块；有两种形式：

  1. 开辟单独的空间，大小固定；
  2. 将未利用的内存空间作为缓冲池，供请求分页系统和磁盘 I/O 时共享。

缓冲区，主要作用：

  1. 缓和 CPU 和 I/O 设备速度不匹配的矛盾；
  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不匹配的问题；
  4. 提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性。 实现方法有：
  5. 硬件缓冲器，但成本高，一般只用于关键部位；
  6. 在内存内设置缓冲区：
    1. 单缓冲，同一时刻只能由一方写入或取出；
    2. 双缓冲，由于单缓冲存在缓冲区为空之后才能写入，因此使用两个缓冲区，写入和读取分离，提高并行度；此外还能实现双向的数据传输；
    3. 循环缓冲，由多个大小相等的缓冲区组成，链表组成的环形式；
    4. 缓冲池，由多个系统中公用的缓冲区组成，分配三个队列，空缓冲队列，输入队列（输入数据已满）和输出队列（输出数据已满）

缓冲区和高速缓存都是介于高速设备和低速设备之间，区别有：

  1. 高速缓存中的数据在低速设备上也有，而缓冲区不一定；
  2. 若高速缓存中没有对应数据，则会去低速设备查找，而缓冲区则必须访问，高速设备不会直接访问低速设备；

设备分配和回收​

根据用户 I/O 请求分配设备，让设备经可能忙碌，同时避免不合理分配造成死锁，使用三种方式：

  1. 独占式设备；
  2. 分时式共享设备；
  3. 以 SPOOLing 方式使用外部设备，实现了虚拟设备的功能，可以同时将设备分配给多个进程，实质上是实现了对设备 I/O 操作的批处理。

设备分配的主要数据结构有：

  1. 设备控制表（DCT），一个设备控制表表示一个设备，表现是设备的属性，申请设备的进程 PCB 会排成一个设备队列；
  2. 控制器控制表（COCT），控制设备与内存交换数据，而设备控制器又要请求通道为它服务，每个 COCT 都有一个表相指向相应的通道控制表指针；
  3. 通道控制表（CHCT），一个通道可以为多个设备控制器服务，因此 COCT 中还有指向这些设备控制器表的指针；CHCT 与 COCT 的关系是一对多的关系；
  4. 系统设备表（SDT），整个系统只有一张 SDT，记录所有已连接的设备。

设备分配有静态和动态，前者主要用于独占式设备的分配，在作业开始前，系统一次性分配需要的所有设备、控制器，不会出现死锁但利用率低；后者在进程执行过程中，按需分配。

安全分配方式：阻塞式，阻塞过程中也不保持任何资源，但 CPU 和 I/O 串行工作；

不安全分配方式，非阻塞式，仅当所需设备被占用才阻塞，一个进程可操作多个设备，推进迅速，但可能造成死锁。

逻辑设备名到物理设备名的映射：提高设备分配的灵活性和利用率，方便实现 I/O 重定向，引入了设备独立性。系统中有一张 逻辑设备表（Logical Unit Table, 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；一般可以为整个系统或是每个用户设立一张 LUT。

SPOOLing 技术（假脱机技术）​

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将独占设备改造称共享设备的技术，利用专门的外围控制器，将低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘，或者相反。

输入井和输出井，在磁盘中，模拟脱机输入/出时的磁盘，分别接收 I/O 和用户程序的输入/出；一个进程的输入/输出保存为一个文件，所有进程的文件连接为一个队列。

输入/输出缓冲区，在内存中，连接输入/输出设备和输入/输出井；

实际上就是 I/O 设备将输入存入缓冲区，或者进程将输出存储缓冲区，等到其设备空闲时再从缓冲区中获取数据。

设备驱动程序接口​

要求每个驱动程序与操作系统之间有相同或相近的接口，方便添加新设备驱动程序。对于每种设备类型，例如磁盘，操作系统都要定义一组驱动程序必须支持的函数，对磁盘而言，必须包含读、写、格式化等，驱动程序中常包含一张表，