输入输出系统

1、什么是I/O设备

"I/O"就是“输入/输出”（Input/Output）

I/O设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机中的硬件部件。(Unix系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作)

2、I/O设备的分类

 3、I/O设备的机械部件

I/O设备的机械部件主要用来执行具体I/O操作

如我们看得见摸得着的鼠标键盘的按钮；LED屏；磁盘盘面

I/O设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板

4、I/O设备的电子部件

CPU无法直接控制I/O设备的机械部件，因此I/O设备还要有一个电子部件作为CPU和I/O设备机械部件之问的“中介”，用于实现CPU对设备的控制。
这个电子部件就是I/O控制器，又称设备控制器。CPU可控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件。

 I/O控制器的组成

细节：

1.一个I/O控制器可能会对应多个设备；

2.数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能会有多个（如：每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存的一个部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，即寄存器独立编址。

内存映像I/O&&寄存器独立编址

 I/O控制方式

软件层次结构

设备独立性软件

又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。

实现的功能：

1.向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）

2.设备的保护（设备访问权限）

3.差错处理（设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理）

4.设备的分配与回收

5.数据缓冲区管理（可以通过缓冲技术屏蔽设备之间的数据交换单位大小和传输速度的差异）

6.建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系；根据设备类型选择调用相应的驱动程序

 操作系统可以采用两种方式管理逻辑设备表（LUT）:

第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此这种方式只适用于单用户操作系统。

第二种方式，为每个用户设置一张LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统会在用户登陆时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中。

设备驱动程序

主要负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令（如write/read）转化成特定设备“能听得懂”的一系列操作。包括设置设备寄存器；检查设备状态等

驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。

（不同的I/O设备有不同的硬件设备，具体细节只有设备的厂家才知道。因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序）

中断处理程序

当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。中断处理程序的处理流程如下：

理解并记住I/O软件各个层次之间的顺序，要能够推理判断某个处理应该是在哪个层次完成的（最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层。只需理解一个特点即可：直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的；没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的）

假脱机技术

脱机技术的概念

脱机：脱离主机的控制进行的输入/输出

 引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带。

假脱机技术的实现原理

假脱机技术，又称“SPOOLing技术”，用软件的方式模拟脱机技术。

“输入井”模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据

“输出井”模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据

“输入进程”模拟脱机输入时的外围控制机。在输入进程的控制下，“输入缓冲区”用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中。

“输出进程”模拟脱机输出时的外围控制机。在输出进程的控制下，“输出缓冲区”用于暂存从输出井送来的数据，之后再传送到输出设备上。

注：

输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中的缓冲区

输入井和输出井是在磁盘上开辟的存储区域

共享打印机原理分析

 当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应它们的请求，但并不是真正把打印机分配给它们，而是由假脱机管理进程为每个进程做两件事：

（1）在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区（也就是说，这个缓冲区是在磁盘上的），并将要打印的数据送入其中；

（2）为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中（其实就是用来说明用户的打印数据存放位置等信息的），再将该表挂到假脱机文件队列上。

当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。用这种方式可依次处理完全部的打印任务

虽然系统中只有一个打印机。，但每个进程提出打印请求时，系统都会为在输出井中为其分配一个存储区（相当于分配了一个逻辑设备），使每个用户进程都觉得自己在独占一台打印机，从而实现对打印机的共享。SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备。

总结

设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素

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）

设备的分配算法

先来先服务、优先级高者优先、短任务优先.....

设备分配中的安全性

安全分配模式：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。

不安全分配模式：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。

静态分配与动态分配

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。（破坏了“请求和保持”条件），不会发生死锁

动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源

设备分配管理中的数据结构

设备、控制器、通道之间的关系：

一个通道可以设置多个控制器，一个设备控制器可以控制多个设备

 设备分配的步骤

①根据进程请求的物理设备名查找SDT（物理设备名是进程请求分配时提供的参数）

②根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程 。

 ③根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。

 ④根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。

 只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动I/O设备进行数据传送

 设备分配步骤的改进：

上述方法有以下缺点：

（1）用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程

（2）若换了一个物理设备，则程序无法运行

（3）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。

改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需要提供逻辑设备名

总结