I/O系统的组成
I/O系统的结构
微机I/O系统
- 总线型I/O系统结构,CPU与内存之间可以直接进行信息交换，但是不能与设备直接进行信息交换，必须经过设备控制器。
主机I/O系统
- I/O系统可能采用四级结构，包括主机、通道、控制器和设备。
- 一个通道客户已控制多个设备控制器，一个设备控制器也可以控制多个设备。
I/O设备的分类
按传输速录分类
- 低速设备
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- 键盘和鼠标
- 中速设备
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- 打印机
- 高速设备
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- 磁带机、磁盘机、光盘机
按信息交换的单位分类
- 块设备
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- 数据的存取以数据块为单位，如磁盘
- 字符设备
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- 传送字节流，没有使用块结构，如鼠标
按设备的共享属性分类
- 独占设备
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- 是必须作为临界资源以互斥方式访问的设备
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- 如打印机
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- 共享设备
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- 是允许多个进程共同访问的设备
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- 如硬磁盘
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- 虚拟设备
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- 是通过某种虚拟技术把一台物理设备变成若干逻辑设备，从用户的角度看，多个用户拥有各自的设备，可以随时向设备发出访问请求并得到系统应答
设备控制器
I/O设备分为机械和电子两部分，设备控制器对应电子部分，通常是可编程的
- 什么是设备控制器
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- 设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，接收I/O的命令并控制设备完成I/O工作
- 设备控制器是一个可编址设备，连接多个设备时可有多个设备地址
- 设备控制器的功能
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- 接收和识别命令
- 数据交换
- 设备状态的了解和报告
- 地址识别
- 数据缓冲
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- 设备控制器可以存储数据，作为CPU和I/O之间的缓冲
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- 设备控制器的组成
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- 设备控制器与处理机的接口
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- 数据线、控制器、和地址线
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- 设备控制器与设备的接口
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- 设备与设备控制器接口中的3类信号为数据、状态和控制信号
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- I/O逻辑
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- 主要有指令译码器和地址译码器两部分功能部件构成
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I/O通道
I/O通道式一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作
引入通道能够使CPU从控制I/O的任务重解脱，使CPU与I/O并行工作，提高CPU的利用率和系统的吞吐量
I/O控制方式
轮询
早期的计算机系统，因为没有中断机制，处理器对输入/输出的控制不得不采取程序轮询的方式
中断
现代计算机系统广泛采用中断控制方式完成对I/O的控制
DMA控制方式
对于磁盘驱动器这类的设备，每次数据传输量较大，采用中断控制方式，传输一个数据块就需要进行多次中断处理
DMA控制需要特殊结构的设备控制器
- 命令/状态寄存器CR
- 内存地址寄存器MAR
- 数据计数器DC
- 数据寄存器DR
缓冲管理
缓冲的引入
在数据到达速率与数据离去速率不同的地方，都可以引入缓冲区。引入缓冲区的主要原因有
- 处理数据流的生产者与消费者之间的速度差异
- 协调传输数据大小不一致的设备
单缓冲
对于面向块的设备
- 输入数据被传送进入系统缓冲区，当传送完成是，进程把该快移到用户空间，并立即请求另一块系统缓冲区。
- 用户进程可以在下一块数据正在读入系统缓冲区时，处理用户去中的那一块数据
对于面向流的I/O
- 键盘。打印机和传感器等都属于面向流的设备
双缓冲
当一个进程往这一个缓冲区中传送数据（或从这个缓冲区中读取数据）时，操作系统正在清空（或填充）另一个缓冲区，这种技术称为双缓冲，或缓冲交换
循环缓冲
双缓冲方案可以平滑I/O设备和进程之间的数据流，如果某个特定进程的性能是关注的焦点，常常会希望相关I/O操作能够跟得上这个进程。如果这个进程突然快速执行了大量的I/O，仅有双缓冲就不够了
- 循环缓冲的组成
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- 多个缓冲区
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- 空缓冲区R：生产者进程下一个可用的空缓冲区
- 已装满数据的缓冲区G：用于指示消费者进程下一个可用的装有产品的缓冲区
- 现行工作缓冲区C：消费者进程正在使用的工作缓冲区
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- 多个指针
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- Nextg
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- 用于指示消费者进程下一个可用的装有数据的缓冲区
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- Nexti
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- 用于指示生产者进程下一个可用的空缓冲区
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- Current
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- 用于指示进程正在使用的工作缓冲区
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- 循环缓冲的使用
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- Getbuf过程
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- 消费者进程要使用缓冲区中的数据时，该过程将Nextg指向的缓冲区提供给进程使用，并吧他改成有Current指针指向的现行工作缓冲区，同时使Nextg指向下一个可用的装有数据的缓冲区G
- 而当生产者进程要使用空缓冲区来装数据时，也通过调用Getbuf过程，把Nexti指示的空缓冲区提供给生产者进程使用，然后使Nexti指向下一个空缓冲区R
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- Releasebuf过程
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- 当进程使用完缓冲区之后，调用Releasebuf过程释放缓冲区
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- 进程同步
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- Nexti指针追上Nextg
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- 生产者进程速度大于消费者进程速度
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- 阻塞生产者进程，等待消费者进程为生产者进程释放空缓冲区R
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- Nextg指针追上Nexti
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- 消费者进程速度大于生产者进程速度
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- 阻塞消费者进程，等待生产者进程为消费者进程释放装有数据的缓冲区G
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- 缓冲池
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- 缓冲池的组成
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- 3种类型的缓冲区
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- 空缓冲区
- 装满输入数据的缓冲区
- 装满输出数据的缓冲区
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- 3种队列
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- 空缓冲队列emq
- 输入队列inq
- 输出队列outq
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- 4种工作缓冲区
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- 收容输入数据的缓冲区
- 提取输入数据的缓冲区
- 收容输出数据的缓冲区
- 提取输出数据的缓冲区
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- Getbuf过程和Putbuf过程
- 缓冲区的工作方式
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- 收容输入
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- 在进程需要收容输入数据时，需要先从空缓冲队列提取一个空缓冲区,将输入数据写入缓冲后，再把装入了输入数据的缓冲区插入到输入队列中去
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- Getbuf（emq）
- 将输入数据写入缓冲区
- putbuf（inq，hin）
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- 提取输入
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- 当进程需要输入数据时（如计算进程需要提取输入数据，然后对数据进行计算处理），先从输入队列提取输入缓冲区，然后从中提取输入数据，最后把缓冲区作为空缓冲区插入空缓冲队列。
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- Getbuf（inq）
- 从缓冲区提取数据
- putbuf（emq，sin）
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- 收容输出
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- 在进程需要收容输出数据时，要先从空缓冲队列提取一个空缓冲区，将输入数据写入缓冲后，再把装入了输出数据的缓冲区插入到输出队列中去。
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- Getbuf（emq）
- 将输入数据写入缓冲区
- putbuf（outq，hout）
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- 提取输出
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- 当进程需要输出数据时（如打印进程需要提取输出数据送入打印机），先从输出队列提取输出缓冲区，然后从中提取输出数据，最后把这个缓冲区插入空缓冲队列。
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- Getbuf（outq）
- 输出数据
- putbuf（emq，sout）
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设备分配
设备分配中的数据结构
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
设备的固有属性
- 独占设备
- 共享设备
- 可虚拟设备
设备分配算法
- 先来先服务
- 基于优先权的分配算法
设备分配方式
- 安全分配方式
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- 这种分配方式中，每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。
- 不安全分配方式
设备独立性
设备独立性的概念
- 为了提高操作系统的可适应性和可扩展性，在现代操作系统中都毫无例外地实现了设备独立性，也称设备无关性。
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- 逻辑设备
- 物理设备
- 系统必须具有将逻辑设备名称转换为物理设备名称的功能
实现设备独立性带来的好处
- 应用程序与物理设备无关
- 易于处理输入/输出设备的故障
- 提高了系统的可靠性，增加了设备分配的灵活性
设备独立软件
- 执行所有设备的共有操作
- 向用户层软件提供统一的接口
独占设备的分配程序
分配设备
分配控制区
分配通道
SPOOLing技术
什么是SPOOLing（假脱机技术）
- SPOOLing系统的组成
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- 输入井和输出井
- 输入缓冲区和输出缓冲区
- 输入进程SPi和输出进程SPo
利用SPOOLing技术实现共享打印机
I/O软件原理
设备管理软件的功能
- 实现I/O设备的独立性
- 错误处理
- 异步传输
- 缓冲管理
- 设备的分配和释放
- 实现I/O控制方式
中断处理程序
设备驱动程序
与硬件无关的I/O软件
磁盘管理
磁盘结构
数据的组织和格式
- 存储面
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- 磁道
- 扇区
磁盘的类型
- 固定头磁盘
- 移动头磁盘
磁盘的访问时间
- 寻道时间
- 旋转延迟时间
- 传输时间
磁盘调度
先来先服务
扫描算法
循环扫描算法
NStepSCAN和FSCAN调度算法
提高磁盘I/O速度的方法
提前读
延迟写
优化物理块的分布
虚拟盘
- 虚拟盘通常用于存放临时文件，如编译程序产生的目标程序等
磁盘高速缓存
- 一组逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中的盘块