5.IO管理

I/O设备

对I/O设备的控制方式

I/O管理

5. I/O设备与管理

5.1 I/O设备

将数据输入/输出的计算机外部设备

5.1.1 分类

5.1.2 I/O设备的组成

机械部件+电子部件I/O控制器(设备控制器)

IO控制器

CPU无法直接控制设备的机械不见，需要电子部件作为中介

a. 功能

• 接受和识别CPU发出的命令

  I/O控制器中的控制寄存器，存放命令与参数

• 向CPU报告设备状态

  I/O控制器中的状态寄存器：记录I/O设备的当前状态

• 数据交互

  I/O控制器中会设置相应的数据寄存器：

  输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据；之后控制器传送给设备

  输入时，暂存设备发来的数据。之后CPU从数据寄存器中取走数据

• 地址识别

  类似于内存地址，为了区分设备控制器中的寄存器，需要给每个寄存器设置地址

b. 组成

• 一个I/O控制器可能对应多个设备

c. I/O控制器端口的编址方式

• 内存影映像I/O：寄存器地址占用内存地址的一部分
• 寄存器独立编址：I/O专用地址

5.2 I/O控制方式

5.2.1 程序查询方式

CPU不断查询IO控制器中的 状态寄存器 ，在等待IO完成的过程中CPU需要不断轮询检查

过程

以读操作为例

1. CPU向设备控制器发出读指令，设备启动，修改状态寄存器的值为1，表示从设备读入数据
2. 轮询检查控制寄存器的状态，若状态位为1，说明设备还没有准备好要输入的数据，于是CPU会不断轮询
3. 输入设备准备好数据后，将数据传给设备控制器，并报告自身状态
4. 控制器将输入的数据放到数据寄存器中，并将状态位改为0
5. CPU发现设备已就绪，即可将数据寄存器中的内容读入CPU寄存器中，再把寄存器中的内容放入内存

特点

数据传送单位：一个字

数据流向：

• 读操作：I/O设备—>I/O设备控制器中的寄存器—>数据总线—>CPU寄存器—>内存
• 写操作：内存—>CPU寄存器—>数据总线—>I/O设备控制器中的寄存器—>I/O设备

优点：实现简单

缺点：CPU和IO设备只能串行工作，长期处于忙等状态，CPU利用率低

5.2.2 中断方式

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，设备控制器向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号，保存当前进程的运行环境，转去执行中断处理程序处理该中断。

• 处理中断的过程：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。

  中断处理完成后，CPU恢复等待I/O的进程的运行环境，继续执行

特点

每次读/写一个字

中断的响应是在每个指令周期的末尾

数据流向：

• 读操作：I/O设备—>CPU—>内存
• 写操作：内存—>CPU—>I/O设备

优点

• CPU与I/O设备可并行工作

缺点

• 每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间

5.2.3 DMA方式

直接存储器存取，用于块设备的I/O控制

DMA特点

• 基本传送单位是块

• 数据流向

  读操作：I/O设备->内存

  写操作：内存->I/O设备

• 所传送的数据是从设备直接送入内存，数据通路中不经过CPU

• 仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需要CPU干预，整块数据的传送实在DMA控制器的控制下完成的

DMA控制器组成

• DR（数据寄存器）：暂存从设备到内存，或者从内存到设备的数据
• MAR（内存地址寄存器）：在输入时，MAR表示数据应放到内存中的什么位置；输出时MAR表示要输出的数据放到内存中的什么位置
• DC（数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数
• CR（命令/状态寄存器）：用于存放CPU发来的I/O命令，或设备的状态信息

DMA过程

CPU接收到I/O设备的DMA请求时，会给I/O控制器发出一条命令，启动DMA控制器，然后继续做其它工作

DMA控制器直接与存储器交互，传送整个数据块到DR。当数据传送完成后，DMA控制器发送一个中断信号给CPU，将DR中的数据转存到MAR指出的内存空间或者

与中断方式对比

中断驱动方式在每个数据需要传输时，中断CPU。DMA方式则是在要求传送的一批数据全部传送结束才中断CPU；

中断驱动方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成；DMA控制方式则是在DMA控制器的控制下完成

不适用于离散的数据块

若要读/写多个离散存储的数据块，或将数据分别写到不同的内存区域，CPU需要发出多条I/O指令，需要多次中断处理才能完成

5.2.4 通道控制方式

通道指专门负责输入输出的处理机

通道控制方式过程

1. CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作那个I/O设备，之后切换到其他进程
2. 通道执行内存中的通道程序（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）
3. 通道执行完规定的任务后，向CPU发出中断信号，之后CPU对中断处理

特点

通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预

每次读/写以一组数据块

优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高

5.3 I/O管理

5.3.1 功能

• 状态跟踪：实时掌握外设状态信息
• 设备存取：实现对设备的存取操作
• 设备分配：设备的分配与回收
• 设备控制：设备的驱动，完成故障的中断处理

5.3.2 IO系统层次结构

5.3.1 用户层软件

实现与用户的接口：将用户请求翻译成格式化IO请求，通过 系统调用 请求内核服务

向上层提供库函数

A. SPOOLing技术(假脱机)

将一台物理设备逻辑上虚拟成多台设备，可将独占式设备改造成共享设备

a. 脱机技术

批处理阶段引入了 脱机输入/输出技术

• 缓解了CPU与I/O设备的速度矛盾
• 即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带(辅存)中，之后主机可以从相对快速的辅存上读入数据，缓解了速度矛盾

b. 假脱机技术

用软件的方式模拟脱机技术，从磁盘I/O的速度远比向I/O外设的速度快

井：在磁盘上开辟两个存储区域，用于I/O设备数据的输入与输出

• 输入井：模拟脱机输入时的 辅存 ，用于收容I/O设备输入的数据

• 输出井：模拟脱机输出时的 辅存 ，用于收容用户进程输出的数据

实现SPOOLing技术，必须有 多道程序设计的支持

• 输入进程：模拟脱机输入中的 外围控制机

• 输出进程：模拟脱机输出时的 外围控制机

输入缓冲区：在输入进程的控制下，暂存从设备中输入的数据，之后转存到 输入井 中

输出缓冲区：在输出进程的控制下，暂存从 输出井 中送来的数据，之后传送到 输出设备 上

c. 共享打印机

当多个用户进程提出输出打印的请求时，系统会答应请求，但并不是真正把分配打印机，由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（相当于分配一个逻辑设备），并将要打印的数据放入其中
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（就是说明用户的打印数据存放位置），将该表挂在 假脱机文件队列上
3. 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

5.3.2 设备独立性软件

用户程序与设备驱动器的统一接口

A. 功能

• 向上层提供系统调用
• 建立逻辑设备名到物理设备名的映射
• 根据设备类型选择相应的设备驱动程序
• 设备保护
• 设备的分配与回收
• 缓冲区管理

B. 逻辑设备表

为每个用户创建一张逻辑设备表，多用户可重名

• 确定逻辑设备对应的物理设备
• 找到物理设备对应的设备驱动程序

如：

逻辑设备名	物理设备名	驱动程序入口地址
/dev/打印机1	3	1024
/dev/打印机2	5	2046
…	…	…

• I/O设备被当做一种特殊文件
• 不同类型I/O设备要有不同的驱动程序处理

C. 设备保护

设备被看做特殊文件，不同用户对设备访问权限不同

• 每个设备都有FCB
• 用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中的信息判断访问权限

D. 设备的分配与回收

a. 总原则

• 充分发挥设备的使用效率
• 避免不合理分配方式造成的进程死锁

b. 考虑因素

设备固有属性

独占设备

共享设备

• 可分配给多个进程(磁盘)
• 宏观上共享，微观上交替使用

虚拟设备

• 采用SPOOLing技术将独占式设备改为共享设备
• 同时分配给多个进程使用

设备分配算法

设备分配的安全性

安全分配方式

为一个进程分配一个设备后将进入阻塞状态，本次I/O完成后将进程唤醒

优点：破坏了 “请求并保持” ，不会造成死锁

缺点：对一个进程来说，CPU和IO只能串行工作

不安全分配

为一个进程分配设备后，进程继续执行，可以发出IO请求；IO不满足时，才阻塞

优点：效率高；计算任务和IO任务并行处理

缺点：有可能发生死锁

c. 分配策略

静态分配：进程运行前全部分配，结束后全部归还

动态分配

d. 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，一个设备控制器可控制多个设备

系统设备表(SDT)

记录系统中全部设备的情况

设备控制表(DCT)

每个设备一张设备控制表

控制器控制表(COCT)

每个设备控制器一张控制器控制表

通道控制表（CHCT）

每个通道一张通道控制表

OS根据通道控制表对通道进行操作

e. 设备分配步骤

设备及其控制器及通道都分配成功才算成功

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查找DCT，若 设备 忙碌则将进程PCB挂到 设备等待队列 中，不忙，则将设备分配给进程
3. 根据DCT找到COCT，若 设备控制器 忙则将进程PCB挂到 控制器等待队列 中，不忙，则将 控制器 分配给进程
4. 根据COCT查找CHCT，若 通道 忙碌则将进程PCB挂到 通道等待队列 中，不忙，则将通道分配给进程

缺点：

• 用户编程必须使用 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，即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待

f. 设备分配改进方法

建立 逻辑设备名与物理设备名 的映射机制，用户编程使用的逻辑设备名（设备类型）

逻辑设备表(LUT)

分配步骤

1. 根据进程请求的 逻辑设备名 查找SDT
2. 查找SDT，找到用户进程 指定的类型、且空闲 的设备，将其分配给该进程。
3. 操作系统在逻辑设备表中新增一个表项
4. 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
5. 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各进程

E. 缓冲区管理

将内存作为缓冲区，屏蔽设备间数据交互的 单位大小和传输速度 的差异

设备独立性 的缓冲区管理就是组织管理好这些缓冲区

磁盘高速缓存：逻辑上属于磁盘，物理上是主流在内存中的盘块

• 缓冲区数据非空，不能向缓冲区冲入数据，只能从缓冲区取出数据
• 缓冲区为空，只能往缓冲区冲入数据，但只能充满才能从缓冲区取出数据

a. 缓冲区作用

• 缓和CPU和IO设备之间速度不匹配的问题
• 减少CPU的中断频率，放宽对CPU中断处理时间的限制
• 解决数据粒度不匹配问题
• 提高CPU和IO设备间的并行性

b. 引入缓冲区的工作策略

输出时

1. CPU把要输出的数据快速地放到缓冲区中，之后可以做别的事情
2. 慢速的I/O设备可以慢慢从缓冲区取走数据

c. 缓冲管理策略

单缓冲

一个缓冲区大小等于一个块大小

T>C

初始状态：工作区满，缓冲区空

故CPU处理数据，耗时C，同时块设备将数据读入到缓冲区耗时T。

由于T>C，故 CPU 处理完数据后暂时不能将下一块数据传送到工作区，必须 等待缓冲区中冲满数据

此时处理一块数据的 $平均用时=T+M$

T<C

初始状态：工作区满，缓冲区空

当 缓冲区 冲满数据后，必须 等待 工作区取走数据才能继续继续冲入数据

此时处理一块数据的 $平均用时=C+M$

单缓冲区间的通信

双缓冲区

在主存中为其分配两个缓冲区

初始状态：工作区空，缓冲区1满，缓冲区2空

处理一个数据块平均耗时=MAX{T,C+M}

T>C+M

每处理一个数据块 $平均耗时=T$

T<C+M

设备输入数据块的速度要比处理机处理数据块的速度快，每处理一个数据块 $平均耗时=C+M$

双缓冲区机器间的通信

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

d. 缓冲池

三个队列四个区

缓冲队列

• 空缓冲队列：没有存放数据的空闲缓冲区链接成队列
• 输入队列：用于存放设备输入数据的缓冲区队列
• 输出队列：用于存放输出数据的缓冲区队列

四个区

• 收容输入数据的工作缓冲区(hin)
• 提取输入数据的工作缓冲区(sin)
• 收容输出数据的工作缓冲区(hout)
• 提取输出数据的工作缓冲区(sout)

输入进程请求输入数据

从 空缓冲队列 中取出一块作为 收容输入数据的工作区(hin) ，冲满数据后将缓冲区放入 输入队列 队尾

计算进程取得一块输入数据

从输入队列中取得一块充满数据的缓冲区作为 提取数据的工作缓冲区(sin)

缓冲区读完后，挂到空缓冲队列

计算进程将数据输出到输出缓冲区

从空缓冲队列中取出一块作为 收容输出数据的工作缓冲区(hout) ，缓冲区冲满后挂到输出队列队尾

输出进程请求输出数据

从输出队列中取得一块冲满的 输出数据的工作区(sout)

F. IO调度

用某种算法确定处理IO请求的顺序

如：磁盘调度

• FCFS
• 最短道优先
• SCAN算法

5.3.3 设备驱动程序

不同设备内部硬件特性不同

• 厂家需要提供与设备对应的驱动程序
• 每类设备一个设备驱动程序

功能

• 将上层抽象的IO命令转化为具体的操作指令，发送给设备控制器

设备驱动程序以一个独立进程存在

CPU只需执行设备对应的驱动程序，完成设置 设备寄存器 ，检查设备的工作状态

5.3.4 中断处理程序

IO任务完成时，IO控制器会发出一个中断信号，系统根据中断信号类型找到对应的中断处理程序