计算机操作系统(5):输入输出管理-考研笔记

5.1 I/O 管理概述

I/O 设备

• 按使用特性分类
  • 人机交互类外部设备
  • 存储设备
  • 网络通信设备
• 按传输速率分类
  • 低速设备：0~1000 B/s，如鼠标键盘
  • 中速设备：0~100000 B/s，如行式打印机、激光打印机
  • 高速设备：0~1000,000,000 B/s，如磁带、磁盘
• 按信息交换的单位分类
  • 块设备：有结构，可寻址，速率高
  • 字符设备：无结构，通常采用中断驱动方式

I/O 控制方式

• 程序直接控制
• 中断驱动方式
• DMA 方式
• 通道控制方式
  • 通道是专门负责输入输出的处理机
  • 与 CPU 相比，通道指令类型单一，没有自己内存，需与 CPU 共享主存
  • 与 DMA 相比，DMA 需要 CPU 控制存储位置与长度，通道可以自己直接控制。DMA 只能对应一台设备与内存传递数据，通道可以控制多台设备与内存交换数据。

I/O 子系统的层次结构

1. 用户层 I/O 软件：一部分为用户层非内核的库函数，一部分为内核态的需要系统调用来获取的服务
2. 设备独立性软件
   • 价值
     • 将 物理设备 进一步封装为 逻辑设备
     • 增加设备分配的灵活性且易于实现 I/O 重定向
   • 功能
     • 执行所有设备的公有操作
     • 向用户层提供统一的接口
3. 设备驱动程序：与设备直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令。屏蔽控制器之间的差异。
4. 中断处理程序
5. 硬件设备：通常包含一个机械部件和一个电子部件，且一般将电子部件称为 设备控制器（适配器）

设备控制器

• 功能
  • 通过自带的寄存器接受识别 CPU 或通道的命令
  • 实现数据交换
  • 发现和记录设备自身的状态信息
  • 设备地址识别
• 组成
  • 与 CPU 的接口：包括三类信号线，分别为 数据线、地址线、控制线
  • 设备控制器与设备的接口：包含 数据、控制、状态 三种信号
  • I/O 控制逻辑

I/O 管理需要完成的内容

• 状态跟踪
• 设备存取
• 设备分配
• 设备控制

5.2 I/O 核心子系统

I/O 核心子系统主要服务

• I/O 调度
• 缓冲与高速缓存
• 设备分配与回收
• 假脱机
• 设备保护和差错处理

I/O 调度概念

• 磁盘调度算法即为 I/O 调度的一种
• 通过重新安排 I/O 请求的队列顺序，以改善系统总体效率和应用程序的平均响应时间
• 可以使用缓冲、高速缓存等技术改善效率

高速缓存与缓冲区

• Disk Cache:磁盘高速缓存
  • 逻辑上是磁盘高速缓存，物理上通常用内存，可单独开辟一块内存空间用于磁盘高速缓存，也可以直接和请求分页共享未利用的空间

缓冲区

• 目的
  • 缓和 CPU 与 I/O 设备间速度不匹配的矛盾
  • 减少对 CPU 的中断频率和中断相应时间的限制
  • 解决基本数据单元大小不匹配问题
  • 提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性
• 实现方式
  • 采用硬件缓冲器：成本较高
  • 采用缓冲区（内存区域）
• 特点
  • 未写满不可读，未读完不可写
• 技术分类
  • 单缓冲
  • 双缓冲：提高读写并行率
  • 循环缓冲
  • 缓冲池
• 缓冲区与高速缓存的对比

设备的分配和回收

• 设备分类
  • 独占式使用设备，如打印机
  • 分时式使用设备，如磁盘
  • SPOOLing方式使用的外部设备，共享打印机
• 设备分配的相关数据结构
  • SDT(System Device Table) 系统控制表
    • 记录系统的所有设备信息，每条信息对应其 DCT 和驱动程序入口
  • DCT(Device Control Table) 控制器表
    • 每个设备描述中包含类型、标识符、状态、对应控制器控制表指针、设备队列队首指针
  • COCT(Controller Control Table) 控制器控制表
    • 记录与其相连的通道表指针、控制器队列的队首队尾指针
  • CHCT(Channel Control Table) 通道控制表
    • 通道状态、通道相连的控制器表首址、通道队列队首指针、通道队列队尾指针
• 设备分配策略
  • 原则
    • 提升效率
    • 避免死锁
  • 分配方式
    • 静态分配：一次性分配给一个作业所有要求的设备
    • 动态分配：随用随分
  • 分配算法
    • 先请求先分配、优先级优先分配
  • 常用方式
    • 独占设备可静态可动态，但通常用静态
    • 共享设备常用动态
• 设备分配的安全性
  • 安全分配
    • 进程请求 I/O 后便阻塞等待,直到 I/O 完成才恢复
    • 效率低，但不会死锁（破坏持有请求必要条件）
  • 不安全分配
    • 请求 I/O 后继续运行，并允许请求其他资源
    • 并行度高，效率高，但可能死锁，可分配时用如银行家算法进行计算
• 逻辑设备到物理设备的映射
  • LUT(Logical Unit Table)逻辑设备表：用于逻辑设备至物理设备的映射
    • 两种建表方式
      • 整个系统只设置一张 LUT，不允许相同逻辑设备名，适用于单用户系统
      • 每个用户设置一张 LUT

SPOOLing 技术

• 输入井和输出井（磁盘中）
• 输入缓冲区和输出缓冲区
• 输入进程和输出进程