操作系统之I/O设备管理，你所不知道的I/O

什么是 I/O 设备
I/O 设备分类
- 按照使用特性分类
- 按传输速率分类
- 按信息交换的单位分类
- 小结
IO控制器
- IO控制器的功能
- IO控制器的组成
IO控制方式
- 程序直接控制方式
- 中断驱动方式
- DMA方式（直接存储器存取控制）
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
- 硬件
有趣的假脱机技术（SPOOLing技术）
- 共享打印机原理
IO核心子系统
- I/O调度
- 设备保护
- 设备的分配与回收
- 缓冲区管理

什么是 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——既可输入、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。如下：

Write 操作：向外部设备写出数据
Read 操作：向外部设备读入数据

I/O 设备分类

按照使用特性分类

人机交互类外设:鼠标、键盘、打印机等——用于人机交互；
存储设备:移动硬盘、光盘等——用于数据存储；
网络通信设备:调制解调器等——用于网络通信

按传输速率分类

低速设备:鼠标、键盘等——传输速率为每秒几个到几百字节；
中速设备:如激光打印机等——传输速率为每秒数千至上万个字节；
高速设备:如磁盘等—— 传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备

按信息交换的单位分类

块设备:如磁盘等——数据传输的基本单位是“块”（传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块）
字符设备:鼠标、键盘等——数据传输的基本单位是字符。（传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式）

小结

IO基本概念和分类

IO控制器

I/O设备由机械部件和电子部件组成

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。

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。

IO控制器的功能

接收和识别CPU发出的指令

如CPU发来的 read/write 命令，I/O 控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数

向CPU报告设备的状态

I/O控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录I/O设备的当前状态。如: 1表示空闲，0表示忙碌

数据交换

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，之后再由控制器传送设备。输入时，数据寄存器用于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

类似于内存的地址，为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”。I/O控制器通过CPU提供的“地址”来判断CPU要读/写的是哪个寄存器

IO控制器的组成

IO控制器组成

CPU与控制器的接口用于实现CPU与控制器之间的通信。CPU通过控制线发出命令;通过地址线指明要操作的设备;通过数据线来取出(输入)数据，或放入(输出)数据。

I/O逻辑负责接收和识别CPU 的各种命令(如地址译码)，并负责对设备发出命令。

控制器与设备的接口用于实现控制器与设备之间的通信。

小细节：

一个I/O控制器可能会对应多个设备;
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。

小结

IO控制方式

需要注意的问题:

完成一次读/写操作的流程;
CPU干预的频率;
数据传送的单位;
数据的流向;
主要缺点和主要优点。

IO控制方式

程序直接控制方式

程序直接控制方式

上面的工作流程图如下所示：

程序直接控制方式-逻辑图

从上面提到的五个指标来关注这种控制方式，分析得到如下：

完成一次读/写操作的流程(如上图，轮询)
CPU干预的频率

很频繁，I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的过程中CPU需要不断地轮询检查。

数据传送的单位

每次读/写一个字

数据的流向

读操作(数据输入):I/O设备->cpu->内存

写操作(数据输出):内存->cpu->I/O设备

每个字的读/写都需要CPU的帮助

主要缺点和主要优点

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

引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在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，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，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。接着，CPU恢复等待I/O的进程(或其他进程)的运行环境，然后继续执行。

中断驱动方式-逻辑图

注意:

CPU会在每个指令周期的末尾检查中断;
中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能。

从五点指标分析如下：

完成一次读/写操作的流程(如上图，中断)
CPU干预的频率

每次I/O操作开始之前、完成之后需要CPU介入。等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行。

数据传送的单位

每次读/写一个字

数据的流向

读操作(数据输入):I/O设备->cpu->内存

写操作(数据输出):内存->cpu->I/O设备

主要缺点和主要优点(重要)

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（直接存储器存取控制）

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:

数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送;
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”。
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。

DMA控制线

直接存储器存取控制方式如下：

直接存储器存取控制-逻辑图

CPU指明此次要进行的操作(如:读操作)，并说明要读入多少数据、数据要存放在内存的什么位置、数据在外部设备上的地址(如:在磁盘上的地址)

控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读/写工作，整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信号

五种指标分析如下：

完成一次读/写操作的流程(见上图)
CPU干预的频率

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。

数据传送的单位

每次读/写一个或多个块(注意:每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的)

数据的流向(不再需要经过CPU)

读操作(数据输入):I/O设备->内存

写操作(数据输出):内存->I/O设备

主要缺点和主要优点

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。

每一个阶段的优点都是解决了上一阶段的最大缺点。总体来说，整个发展过程就是要尽量减少 CPU对I/O过程的干预，把CPU 从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。

I/O软件层次结构

I/O软件层次结构

越上面的层次，越接近用户；越下面的层次，越接近硬件。

每一层会利用其下层提供的服务，实现某些功能，并屏蔽实现的具体细节，向高层提供服务(“封装思想”)。

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；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。主要实现的功能: 向上层提供统一的调用接口(如 read/write 系统调用)

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:

向上层提供统一的调用接口(如 read/write 系统调用)
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。
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。
设备的分配与回收
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
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

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。不同的I/O设备有不同的硬件特性，具体细节只有设备的厂家才知道。因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序。注:驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。

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:

中断处理程序的处理流程

用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求：

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

硬件

执行I/O操作，有机械部件、电子部件组成。

直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的;没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的)

有趣的假脱机技术（SPOOLing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:

假脱机技术

共享打印机原理

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。