王道操作系统___第五章01

5.1_1_I/O设备的基本概念和分类

I/O设备

• I/O就是输入/输出
• 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。
• 鼠标、键盘–典型的输入型设备。显示器–输出型设备。移动硬盘–即可输入、又可输出的设备。
• 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。
• Write操作：向外部设备写出数据 。 Read操作：从外部设备读入数据 。

I/O设备的分类

• 按使用特性：
  • 人机交互类设备：鼠标、键盘、打印机等–用于人机交互。数据传输速度慢。
  • 存储设备：移动硬盘、光盘等–用于数据存储。数据传输速度快。
  • 网络通信设备：调制解调器等–用于网络通信。介于两者之间。
• 按传输速度分类：低速设备、中速设备。高速设备。
• 按信息交换的单位：块设备(传输快，可寻址)、字符设备(传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式)。

5.1_2_I/O控制器

• I/O设备的机械部件主要用来执行具体的I/O操作

• 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

• 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设备机械部件之间的中介，用于实现CPU对设备的控制。

• I/O控制器的功能

  • 接收和识别CPU发出的命令：控制寄存器来存放命令和参数
  • 向CPU报告设备的状态：状态寄存器记录I/O设备的当前状态。
  • 数据交换：数据寄存器暂存CPU或设备发来的数据。
  • 地址识别 ：给各个寄存器设定特点的地址。

• I/O控制器的组成

  • I/O逻辑：负责接收和识别CPU的各种命令，并负责对设备发出命令。

  • CPU与控制器的接口：用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令；通过地址线指名要操作的设备；通过数据线来取出数据，或放入数据。

  • 控制器与设备的接口：用于实现控制器与设备之间的通信。

  • 一个I/O控制器可能对应多个设备，相对应的数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个，且这些寄存器要有相应的地址，才能方便CPU的工作。

  • 内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址

    • 内存映像I/O ：这些寄存器会占用内存地址的一部分，控制器中的寄存器与内存地址统一编址。可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作。
    • 寄存器独立编址：采用I/O专用地址，控制器中的寄存器使用单独的地址。需要设置专门的指令来操作控制器。

5.1_3_I/O控制方式

程序直接控制方式

完成一次读/写操作的流程(轮询)
1

• CPU向控制器发出读指令。于是设备启动，并且状态寄存器设为1(未就绪)
• CPU轮询检查控制器的状态
• 输入设备准备好数据后，将数据传给控制器，并报告自身状态。
• 控制器将输入的数据放到数据寄存器中，并将状态改为0(已就绪)
• CPU发现设备已就绪，即可将I/O数据寄存器中的内容读入CPU的寄存器中，再把CPU寄存器中的内容放入内存。
• 若还要继续读入数据，则CPU继续发出读指令。

CPU干预的频率
1

• 很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU的介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。
  
  
  
• 数据传送的单位：每次读/写一个字
• 数据的流向：读操作：I/O设备–>CPU–>内存。 写操作：内存–>CPU–>I/O设备
• 优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可
• 缺点：CPU和I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙碌状态，CPU利用率低

中断驱动方式

• 引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中,CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着CPU恢复等待I/O的进程(或其它进程)的运行环境，然后继续执行
• CPU会在每个指令周期的末尾检查中断
• 中断处理过程需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定的时间开销。
• CPU的干预：每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU的介入。等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。
• 优点：I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不在需要不停的轮询。CPU与I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
• 缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU，而频繁的中断处理会消耗较多的CPU的时间。

DMA方式

• DMA方式：直接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制
• 数据的传送单位是块，不再是一个字、一个字的传送。
• 数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接放到设备。不再需要CPU作为中介。
• 仅在传送一个或多个数据快的开始和结束时，才需要CPU的干预。
• CPU指明此次要进行的操作，并说明要读入多少数据、数据要存放在内存的什么位置、数据在外部设备上的地址
• 控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读/写工作，整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信号。
• CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。

通道控制方式

• 通道：一种硬件，可以理解为"弱鸡版的CPU"。通道可以识别并执行一系列通道指令。
• CPU向通道发出I/O指令。指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个I/O设备。之后CPU就切换到其他进程执行了。
• 通道执行内存中的通道程序(其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的什么位置等信息)
• 通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后CPU对中断进行处理。
• 数据传送的单位：每次读/写一组数据块
• 优点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
• 缺点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。

5.1_4_I/O软件层次结构

用户层软件

• 用户层软件实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作。
• 用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过系统调用请求操作系统内核的服务。

设备独立性软件

• 与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现
• 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
• 数据缓冲管理
• 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。

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设备有不同的硬件特性，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。
• 中断处理程序处理流程：从控制器读出设备状态
  • 若I/O正常结束：从设备中读入一个字的数据并经由CPU放到内存缓冲区中
  • 若I/O异常结束：根据异常原因做相应处理。

5.1_5_I/O核心子系统

• I/O系统：属于操作系统的内核部分，包括设备独立性软件、设备驱动程序(硬件相关)、中断处理程序(硬件相关)。

• 假脱机技术(SPOOLing技术)：用户层软件

• I/O调度、设备保护、设备的分配与回收、缓冲区管理：设备独立性软件

• I/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求

• 设备保护：在UNIX系统中，设备被看作一种特殊的文件，每个设备也会有相应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统会根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限。

5.1_6_假脱机技术(SPOOLing)

脱机输入/输出技术

• 用磁带完成：在外围控制机的控制下，慢速输入设备的数据先被输入到更快速的磁带上。之后主机可以从快速的磁带上读入数据，从而缓解了速度矛盾。
• 脱机：脱离主机的控制进行输入/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–SPOOLing技术

• 用软件的方式模拟脱机技术
• 在磁盘上开辟出两个存储区域–输入井和输出井。
• 输入井模拟脱机技术输入时的磁带，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/输出进程模拟脱机输入/输出时的外围控制机。
• 要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。
• 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。
• 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，之后在传送到输出设备上。
• 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式设备。

5.1_7_设备的分配与回收

设备的固有属性

• 设备的固有属性：独占设备、共享设备、虚拟设备。
• 独占设备：一个时段只能分配给一个进程
• 共享设备：可同时分配给多个进程使用
• 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。

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。优点：破坏了请求和保持条件，不会死锁 。 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作
• 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。 优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进。缺点：有可能发生死锁(死锁避免、死锁的检测和解除)

静态分配和动态分配

• 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

设备分配管理中的数据结构

• 一个通道可控制多个设备控制器，每个设备控制器可控制多个设备。
• 设备控制表：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况
• 设备控制表：设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表的指针、重复执行次数或时间、设备队列的队首指针。
• 控制器控制表：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。
• 控制器控制表：控制器标识符、控制器状态、指向通道表的指针、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针。
• 通道控制表：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。
• 通道控制表：通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列的队尾指针、通道队列的队首指针。
• 系统设备表：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。
• 表目：设备类型、设备标识符、设备控制表、驱动程序入口。

设备分配的步骤

• 根据进程请求的物理设备名查找系统设备表(SDT)
• 根据SDT找到设备控制表(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。
• 根据DCT找到控制器控制表(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。
• 根据COCT找到通道控制表(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设备进行数据传送了。
• 缺点：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。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。

设备分配步骤的改进

• 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT(用户编程时提供的逻辑设备名其实就是设备类型)
• 查找SDT，找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表(LUT)中新增一个表项。
• 逻辑设备表建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系。

5.1_8_缓冲区管理

• 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件组成，也可以利用内存作为缓冲区。
• 使用硬件做为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求比较高的场合。一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，设备独立性软件的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区。

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/O设备之间的并行性

单缓冲

• 注意：当缓冲区数据非空时，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。
• 假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区，用户进程的内存空间中，会分出一片工作区来接受输入/输出数据。
• 采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时Max(C,T)+M 。T：块设备向缓冲区输入数据所花费时间。 M：缓冲区向用户进程工作区传送数据所花费的时间。C：CPU处理工作区中的数据所花费的时间。

双缓冲

• 假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲区策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区。
• 采用双缓冲区策略，处理一个数据块的平均耗时为Max(T，C+M) 。

使用单/双缓冲区在通信时的区别

• 两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接收、
• 显然，若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任意时刻只能实现数据的单向传输。
• 若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输。
• 注：管道通信中的‘管道’其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道。

循环缓冲区

• 将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列
• in指针，指向下一个可以冲入数据的空缓冲区。 out指针，指向下一个可以取出数据的满缓冲区。

缓冲池

• 缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列(输入队列)、装满输出数据的缓冲队列(输出队列)。
• 根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区(hin)、用于提取输入数据的工作缓冲区(sin)、用于收容输出数据的工作缓冲区(hout)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sout)。