四、设备管理

• I/O控制方式：程序控制、中断、DMA、通道， 缓冲技术；
• 假脱机技术(SPOOLing)； 设备驱动程序。

4.1 I/O设备基本概念

4.2 I/O控制方式

4.2.1 程序控制方式

1. 完成一次读/写操作的流程（见上图，Keyword：轮询）

2. 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。

3. 数据传送的单位

   每次读/写一个字

4. 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

5. 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利用率极低。

4.2.2 中断方式

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。

注意：

1. CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
2. 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。

1. 完成一次读/写操作的流程（见右图，Keyword：中断）

2. 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。

3. 数据传送的单位

   每次读/写一个字

4. 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

5. 主要缺点和主要优点

   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。

4.2.3 DMA控制方式

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。

• DR（DataRegister，数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。

• MAR（Memory Address Register，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在内存中的什么位置。

• DC（DataCounter，数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数。

• CR（Command Register，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。

1. 完成一次读/写操作的流程（见上图）

2. 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。

3. 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）

4. 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

5. 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。

4.2.4 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

与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存

1. 完成一次读/写操作的流程（见右图）

2. CPU干预的频率

   极低，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。

3. 数据传送的单位

   每次读/写一组数据块

4. 数据的流向（在通道的控制下进行）

   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

5. 主要缺点和主要优点

   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。

4.3 缓冲技术

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为缓冲区，“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

• 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。

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

假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）

双缓冲题目中，假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空

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)

• 循环缓冲

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。

• 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）

4.4 假脱机技术

“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：

• **“输入井”**模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据
• **“输出井”**模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据
• **“输入进程”**模拟脱机输入时的外围
• **“输出进程”**模拟脱机输出时的外围控制机

要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立“输入进程”和“输出进程“。

SPOOLing技术的应用

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。

打印机是种“独占式设备”，但是可以用SPOOLing技术改造成“共享设备”

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

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。