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课程内容来自王道考研，侵删

• 【操作系统】输入输出（IO）管理 笔记整理
  • I/O设备基本概念与分类
    • I/O设备
    • I/O设备的分类——按使用特性
    • I/O设备的分类——按传输速率分类
    • I/O设备的分类——按信息交换的单位分类
  • I/O控制器
    • I/O设备的机械部件
    • I/O设备的电子部件（I/O控制器）
    • I/O控制器的组成
    • 内存映像I/O v.s. 寄存器独立编址
  • I/O 控制方式
    • 程序直接控制方式
    • 中断驱动方式
    • DMA 方式
    • 通道控制方式
  • I/O软件层次结构
    • 用户层软件
    • 设备独立性软件
    • 设备驱动程序
    • 中断处理程序
  • I/O核心子系统
    • 这些功能要在哪个层次实现？
    • I/O调度
    • 设备保护
    • 假脱机技术（SPOOLing技术）
      • 脱机技术
      • 输入井和输出井
      • 实现例子：共享打印机原理分析
  • 设备的分配与回收
    • 设备分配时应考虑的因素
    • 静态分配和动态分配
    • 设备分配管理中的数据结构
      • 设备控制表（DCT）
      • 控制器控制表（COCT）
      • 通道控制表（CHCT）
      • 系统设备表（SDT）
    • 设备分配的步骤
    • 设备分配步骤的改进
  • 缓冲区管理
    • 什么是缓冲区？
    • 缓冲区有什么作用？
    • 单缓冲
    • 双缓冲
    • 使用单/双缓冲在通信时的区别
    • 循环缓冲区
    • 缓冲池

I/O设备基本概念与分类

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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。

• 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

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I/O设备的分类——按传输速率分类

不常做考点考察

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I/O设备的分类——按信息交换的单位分类

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I/O控制器

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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；显示器的LED屏；移动硬盘的磁臂、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。

I/O设备的电子部件（I/O控制器）

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。

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。

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I/O控制器的组成

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值得注意的小细节：

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地址的一部分，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 v.s. 寄存器独立编址

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I/O 控制方式

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需要注意的问题：

1. 完成一次读/写操作的流程
2. CPU 干预的频率
3. 数据传送的单位
4. 数据的流向
5. 主要缺点和主要优点

程序直接控制方式

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==Key word：轮询==

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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（因此才称为“程序直接控制方式”）

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“忙等”状态，CPU 利用率低。

中断驱动方式

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==Key word：中断==

优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O 控 制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和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 时间。

DMA 方式

与“中断驱动方式”相比，==DMA==方式（ Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的 I/O控制）有这样几个改进：

①数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送；

②数据的流向是从设备直接放入内存，或者从内存直接到设备。不再需要 CPU 作为“快递小哥”。

③仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要 CPU 干预。

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优点：数据传输以“块”为单位，CPU 介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过 CPU 再写入内 存，数据传输效率进一步增加。CPU 和 I/O 设备的并行性得到提升。

缺点：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。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU 要分别发出多条 I/O指令，进行多次中断处理才能完成。

通道控制方式

==通道==：一种硬件，可以理解为是“弱鸡版的 CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令

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缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

优点：CPU、通道、I/O 设备可并行工作，资源利用率很高。

I/O软件层次结构

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用户层软件

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设备独立性软件

• ①向上层提供统一的调用接口（如 read/write 系统调用）

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• ②设备的保护

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• ③差错处理

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• ⑤数据缓冲区管理

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• ⑤数据缓冲区管理

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• 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

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设备驱动程序

思考：为什么不同类型的 I/O 设备需要有不同的驱动程序处理？

• 各式各样的设备，外形不同，其内部的 电子部件（I/O 控制器）也有可能不同
• 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，CPU 执行驱动程序的指令序列，来完成设置设 备寄存器，检查设备状态等工作

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中断处理程序

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I/O核心子系统

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这些功能要在哪个层次实现？

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I/O调度

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设备保护

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假脱机技术（SPOOLing技术）

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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

批处理阶段引入了脱机输入/输出技术（用磁带完成）：

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输入井和输出井

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实现例子：共享打印机原理分析

独占式设备——只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。

共享设备——允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使 用）。可以同时满足多个进程的使用请求。

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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。

设备的分配与回收

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设备分配时应考虑的因素

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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 ……

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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
  • 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

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“设备、控制器、通道”之间的关系：

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

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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。

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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。

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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。

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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）

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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。

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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。

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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。

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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

设备分配步骤的改进

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

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缓冲区管理

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什么是缓冲区？

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

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缓冲区有什么作用？

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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。

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==结论：采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 MAX(C,T)+M==

双缓冲

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==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

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受。

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显然，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。

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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。

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。

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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）

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1. 输入进程请求输入数据
2. 计算进程想要取得一块输入数据
3. 计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区
4. 输出进程请求输出数据