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

• • 键盘和鼠标

• 中速设备

• • 打印机

• 高速设备

• • 磁带机、磁盘机、光盘机

按信息交换的单位分类

• 块设备

• • 数据的存取以数据块为单位，如磁盘

• 字符设备

• • 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

• • 是必须作为临界资源以互斥方式访问的设备

• • • 如打印机

• 共享设备

• • 是允许多个进程共同访问的设备

• • • 如硬磁盘

• 虚拟设备

• • 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

• • 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

• • 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

• • • 设备控制器可以存储数据，作为CPU和I/O之间的缓冲

• 设备控制器的组成

• • 设备控制器与处理机的接口

• • • 数据线、控制器、和地址线

• • 设备控制器与设备的接口

• • • 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

• • I/O逻辑

• • • 主要有指令译码器和地址译码器两部分功能部件构成

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

• • 多个缓冲区

• • • 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

• • 多个指针

• • • Nextg

• • • • 用于指示消费者进程下一个可用的装有数据的缓冲区

• • • Nexti

• • • • 用于指示生产者进程下一个可用的空缓冲区

• • • Current

• • • • 用于指示进程正在使用的工作缓冲区

• 循环缓冲的使用

• • Getbuf过程

• • • 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

• • Releasebuf过程

• • • 当进程使用完缓冲区之后，调用Releasebuf过程释放缓冲区

• 进程同步

• • Nexti指针追上Nextg

• • • 生产者进程速度大于消费者进程速度

• • • • 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

• • Nextg指针追上Nexti

• • • 消费者进程速度大于生产者进程速度

• • • • 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

• 缓冲池

• • 缓冲池的组成

• • • 3种类型的缓冲区

• • • • 空缓冲区
      • 装满输入数据的缓冲区
      • 装满输出数据的缓冲区

• • • 3种队列

• • • • 空缓冲队列emq
      • 输入队列inq
      • 输出队列outq

• • • 4种工作缓冲区

• • • • 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

• • Getbuf过程和Putbuf过程
  • 缓冲区的工作方式

• • • 收容输入

• • • • 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

• • • • • Getbuf（emq）
        • 将输入数据写入缓冲区
        • putbuf（inq，hin）

• • • 提取输入

• • • • 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。

• • • • • Getbuf（inq）
        • 从缓冲区提取数据
        • putbuf（emq，sin）

• • • 收容输出

• • • • 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。

• • • • • Getbuf（emq）
        • 将输入数据写入缓冲区
        • putbuf（outq，hout）

• • • 提取输出

• • • • 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。

• • • • • Getbuf（outq）
        • 输出数据
        • putbuf（emq，sout）

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

• • 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。

• • 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

• • 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

• • 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