操作系统——I/O设备

• I/O设备的基本概念和分类
• I/O控制方式
• I/O软件层次结构
• I/O核心子系统
• 假脱机技术
• 设备的分配与回收
• 缓冲区管理

       操作系统(OS)这门学科在计算机领域有着很重要的作用，作为计算机硬件和软件的临界者，对计算机发展有着很重要的意义，随着时代的不断发展，越来越多的操作系统进入大众视野，无论是大家耳熟能详的Windows、MAC，抑或是程序员口中经常念叨的Linux。除了电脑操作系统，手机中的鸿蒙、苹果、安卓也是大家关注的热点，因此要想在计算机领域有所造诣，操作系统是必须要了解掌握的一门学科，因此在这里借助平台，跟大家分享一下我学习操作系统的经验和笔记，用十天的时间来和大家梳理和整理这门学科，让我们一起探索其中的奥秘，享受知识带给我们的快乐吧！！！

I/O设备的基本概念和分类

按功能划分：
（1）人机交互类外部设备
鼠标、键盘、打印机……数据传输速度慢
（2）存储设备
移动硬盘、光盘……数据传输速度快
（3）网络通信设备
调制解调器……数据传输速度适中

按传输速率划分：
（1）低速设备
鼠标、键盘……传输速率为每秒几个到几百字节
（2）中速设备
激光打印机……传输速率为每秒数千甚至上万字节
（3）高速设备
磁盘……传输速率为每秒数千甚至千兆字节

I/O控制器

CPU和机械设备之间的“中介”

• I/O控制器可能会对应多个设备
• 内存印象I/O：让寄存器占用内存地址的一部分
• 寄存器独立编址：采用I/O专用地址

I/O控制方式

（1）程序直接控制方式

整个过程要进行轮询方式，CPU不断介入检查

传输单位为：字

数据流向：

• 读操作：I/O设备 -> CPU -> 内存
• 写操作：内存 -> CPU -> I/O设备

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

（2）中断驱动方式

引入中断机制，可以将等待I/O进程阻塞，CPU检测到中断信号，进行中断处理。

CPU和I/O设备并行运行（3）DMA方式（直接存储器存取）

数据传输单元是“块”

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。

CPU干预只在开始和结束

（4）通道控制方式

通道：一种硬件，弱鸡版的“CPU”，可以识别并执行一系列通道指令

I/O软件层次结构

• 用户层软件：
  实现与用户交互的接口，用户可以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
• 设备独立性软件：
  将用户请求翻译成格式化I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核服务
• 设备的保护
• 差错处理
• 设备的分配与回收
• 数据缓冲区管理
  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（建立逻辑设备表LUT）
• 设备驱动程序：
  不同的设备有不同的硬件特性，所以要控制不同的设备要进行不同的驱动程序
• 中断处理程序：
  I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统跟你局中断信号类型找到相应的中断处理程序

I/O核心子系统

假脱机技术

批处理阶段引入了脱机输入/输出技术

• 输入缓冲区：用于暂时存放输入设备输入的数据，之后转存到输入井中
• 输出缓冲区：用户暂时存放从输出井送来的数据，之后载传送至输出设备上

输入\输出缓冲区属于内存
输入井\输出井属于磁盘

共享打印机原理：
多个用户进程申请打印请求，系统答应后不会直接分配打印资源，而是进行两个准备：
【1】在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区，用来存放要打印的数据
【2】为用户申请填写打印请求表，将请求表挂到假脱机队列上等待

设备的分配与回收

设备的固有属性

• 独占设备：一个时段只能分配给一个进程（如打印机）
• 共享设备：可同时分配多个进程使用（如：磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备而微观上交替使用
• 虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可以同时分配给多个进程使用

设备分配算法

• 先来先服务
• 优先级高者优先
• 短任务优先

设备分配中的安全性

• 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒（一个时间段只能使用一个设备，对于进程来说，CPU和IO设备只能串行工作）
• 不安全分配方式：进程放出I/O请求，系统为其分配I/O设备，进程可以继续执行。只要某个I/O请求的布袋满足时才将进程阻塞（计算任务和IO任务可以并行处理，有可能发生死锁）
• 静态分配
  进程运行之前分配所有需要的资源，运行结束后归还
• 动态分配
  进程运行中动态申请设备资源

设备分配管理中的数据结构
“设备”、“控制器”、“通道”

• 设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况
  （设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表的指针、重复执行次数和时间、设备队列的队首指针）
• 控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理
  （控制器标识符、控制器状态、指向通道表的指针、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针）
• 通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT，根据CHCT的信息对通道进行操作和管理
  （通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针）
• 系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目
• 表目（设备类型、设备标识符、DCT、驱动程序入口）

设备分配改进的步骤：
1、根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（逻辑设备名其实就是“设备类型”）
2、查找SDT，找到用户进程指定类型的、并且空闲的设备，将其分配给该进程。操作系统在逻辑设备表（LUT）中新增一个表项
3、根据DCT找到COCT，若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程
4、根据COCT找到CHCT，若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程

只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可以启动IO设备进行数据传送
整个系统只有一张LUT：各用户所用的额逻辑设备名不重复，适用于单用户操作系统
每个用户一张LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统

缓冲区管理

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可以利用内存作为缓冲区。

• 单缓冲：操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（一个缓冲区的大小就是一个块）
• 双缓冲：操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区
  实现同一时刻双向的数据传输
  管道通信中的“管道”其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道
• 循环缓冲区：将许多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列
• 缓冲池：由系统中共用的缓冲区组成。
  这些缓冲区可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列

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）

1、输入进程请求输入数据

2、计算进程想要取得一块输入数据

3、计算进程想要将准备好的数据冲入缓冲区

4、输出进程请求输出数据

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      第十天的学习到这里就结束了，不知道小伙伴们收获如何呢？欢迎评论区交流学习，也恳请各位批评指正！！

      操作系统其实就是计算机中的一个大管家，这个大管家有着很多很厉害的角色（就像谍战片里面的大府中的老管家一样），因此学习操作系统这门课，就像是在欣赏一部谍战片，要想理解角色内涵，你就必须站在其角度去思考，思考其可能会遇到的危险以及应对策略（bug与bug的修复），这样你才能在凶险的代码江湖生存下来，成为一代英雄，留下你的印记，期待与各位在江湖的相遇，也希望大家能给作品一个三连！！

本文参考教材：王道考研——操作系统（配套PDF文件，点赞留言后私信我发你）
教材配套讲解视频：b站链接