操作系统 I/O 管理
I/O 管理是操作系统中最庞杂的部分，负责管理各种外部设备，向用户提供统一、易用的接口，并提高设备利用率和系统并行度。
一、I/O 设备与控制器
1. 设备分类
- 按传输速率：低速（键盘鼠标）、中速（打印机）、高速（磁盘）。
- 按信息交换单位：
- 块设备 (Block Device)：以数据块为单位存储/传输，可寻址（如磁盘）。
- 字符设备 (Character Device)：以字符为单位，不可寻址（如键盘、串口）。
- 按共享属性：
- 独占设备：一次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（如磁盘）。
- 虚拟设备：通过 SPOOLing 技术将独占设备模拟为共享设备。
2. I/O 控制器 (Device Controller)
CPU 无法直接控制机械设备，需通过控制器。
- 功能：接收 CPU 命令、地址识别、数据交换、设备状态报告。
- 组成：寄存器（数据/状态/控制）、控制逻辑。
二、I/O 控制方式
随着技术发展，CPU 干预越来越少，I/O 效率越来越高。
1. 程序直接控制 (Polling)
- CPU 循环轮询检查设备状态。
- 缺点：CPU 忙等，利用率极低。
2. 中断驱动方式 (Interrupt-driven)
- I/O 完成时发中断通知 CPU。
- 优点：CPU 和 I/O 可并行。
- 缺点：每个字/字节都要中断，频繁中断消耗 CPU。
3. DMA 方式 (Direct Memory Access)
- 专门的 DMA 控制器负责数据传输。
- 特点：
- 数据传输单位是块。
- 数据直接在内存和设备间传输，不经过 CPU。
- 仅在传送开始和结束时才需 CPU 干预。
- 优点：进一步解放 CPU。
4. 通道控制方式 (Channel)
- 专门的 I/O 处理器（通道），有自己的指令集。
- 可以控制多台设备，执行复杂的 I/O 程序。
三、I/O 软件层次结构
从上到下依次为：
- 用户层 I/O 软件：库函数（如
printf,scanf），系统调用接口。 - 设备独立性软件 (Device Independent Software)：
- 执行所有设备公有的操作。
- 逻辑设备名到物理设备名的映射 (LUT)。
- 设备保护。
- 缓冲管理。
- 差错处理。
- 设备驱动程序 (Device Driver)：
- 与硬件直接相关，每类设备对应一个驱动。
- 将逻辑命令转换为物理操作（设置寄存器）。
- 中断处理程序：
- 处理 I/O 完成后的中断信号。
四、核心 I/O 技术
1. 缓冲技术 (Buffering)
目的：缓和 CPU 与 I/O 设备速度不匹配的矛盾，减少 CPU 中断频率。
- 单缓冲：处理时间 $Max(C, T) + M$。
- 双缓冲：处理时间 $Max(C, T)$。
- 循环缓冲：多个缓冲区组成圆环。
- 缓冲池 (Buffer Pool)：系统公用的缓冲区集合，包含空缓冲队列、输入队列、输出队列。
2. 设备分配
- 数据结构：
- SDT (系统设备表)：整个系统一张。
- DCT (设备控制表)：每个设备一张。
- COCT (控制器控制表)。
- CHCT (通道控制表)。
- 分配原则：安全性（避免死锁）、灵活性。
3. SPOOLing 技术 (假脱机)
Simultaneous Peripheral Operations On-Line (外部设备联机并行操作)。
- 原理：利用磁盘空间模拟独占设备。
- 组成：
- 输入井/输出井：磁盘上的区域。
- 输入进程/输出进程：负责模拟外围机。
- 输入缓冲区/输出缓冲区：内存中的区域。
- 应用：共享打印机。将打印请求挂到队列，由守护进程依次打印，用户进程无需等待。
- 意义：将独占设备改造为共享设备（虚拟设备）。
总结
- 控制方式进化：轮询 → 中断 → DMA → 通道。
- 软件分层：独立性软件屏蔽了硬件差异，驱动程序负责具体硬件。
- SPOOLing：是实现虚拟设备的关键技术，极大提高了独占设备的利用率。