【操作系统】I/O 管理（二）—— I/O 核心子系统

一、I/O 软件层次结构

1. 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。Eg：printf(“hello, world!");

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。Eg：printf(“hello, world!”); 会被翻译成等价的 write 系统调用，当然，用户层软件也会在系统调用时填入相应参数。

Windows 操作系统向外提供的一系列系统调用，但是由于系统调用的格式严格，使用麻烦，因此在用户层上封装了一系列更方便的库函数接口供用户使用（Windows API）。

2. 设备独立性软件

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。

主要实现的功能：
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（原理类似与文件保护。设备被看做是一种特殊的文件，不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。）。
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。

用户或用户层软件发出I/O操作相关系统调用的系统调用时，需要指明此次要操作的I/O设备的逻辑设备名（eg：去学校打印店打印时，需要选择 打印机1/打印机2/打印机3 ，其实这些都是逻辑设备名）
设备独立性软件需要通过“逻辑设备表（LUT，Logical Unit Table）”来确定逻辑设备对应的物理设备，并找到该设备对应的设备驱动程序。

操作系统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。系统会在用户登录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。

逻辑设备表（LUT）见下图：

3. 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read/write）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。

注：驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。不同设备的内部硬件特性也不同，这些特性只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序。

4. 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：

用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的 I/O请求

1. 用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务。
2. 设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序。
3. 驱动程序向I/O控制器发出具体命令。
4. 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。

二、I/O 核心子系统

设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序这三层属于操作系统的内核部分，称“I/O核心子系统”。

**假脱机技术（SPOOLing技术）、I/O调度、设备保护、设备分配与回收、缓冲区管理（即缓冲与高速缓存）**等功能均是 I/O 核心子系统应该实现的。

（一）、假脱机技术（SPOOLing技术）

1. 什么是脱机技术

手工操作阶段：主机直接从 I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快。人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备。如下图。

批处理阶段引入了脱机输入/输出技术（用磁带完成）：

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。

为什么称为“脱机”—— 脱离主机的控制进行的输入/输出操作。

2. SPOOLing 技术（假脱机技术）

“假脱机技术”，又称“SPOOLing 技术”是用软件的方式模拟脱机技术。 SPOOLing 系统的组成如下

“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。

“输出进程”模拟脱机输出时的外围控制机。

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。

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。

注意：实现SPOOLing 技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立 “输入进程”和 “输出进程”。
输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中的缓冲区。

3. 共享打印机原理分析

打印机是种“独占式设备”，但是可以用 SPOOLing 技术改造成“共享设备”。

独占式设备的例子：若进程1 正在使用打印机，则进程2 请求使用打印机时必然阻塞等待。

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，但是并不是真正把打印机分配给他们，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台打印机，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。

4. 总结

（二）、设备的分配与回收

1. 设备分配时应考虑的因素

设备的固有属性

设备的固有属性可分为三种：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（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
1
2
3

设备分配中的安全性

从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：
（1）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。（eg：考虑进程请求打印机打印输出的例子）

一个时段内每个进程只能使用一个设备
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。

（2）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。

一个进程可以同时使用多个设备
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）。

2. 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（破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁），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。

3. 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（DCT）

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。

注：系统会根据阻塞原因不同，将进程PCB挂到不同的阻塞队列中。

控制器控制表（COCT）

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。

通道控制表（CHCT）

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。

系统设备表（SDT）

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。

4. 设备分配的步骤

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

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。

注：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。

5. 设备分配步骤的改进

初始步骤：
① 根据进程请求的物理设备名查找SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）。
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。

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，用户编程时只需提供逻辑设备名。

① 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（注：用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”）。
② 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。

逻辑设备表的设置问题：

• 整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统。
• 每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统。

6. 总结

（三）、缓冲区管理

1. 缓冲区

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。
使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的联想寄存器，由于对页表的访问频率极高，因此使用速度很快的联想寄存器来存放页表项的副本）
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.

2. 单缓冲

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）。

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。

结论：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 Max(C, T)+M

3. 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。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）.

双缓冲题目中，假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空。

结论：采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为 Max (T, C+M)

使用单/双缓冲在通信时的区别

若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一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。

4. 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。
注：以下图示中，橙色表示已充满数据的缓冲区，绿色表示空缓冲区。

5. 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）。

另外，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）。

从输出队列中取得一块冲满输出数据的缓冲区作为“提取输出数据的工作缓冲区（sout）”。缓冲区读空后挂到空缓冲区队列。

6. 总结