操作系统知识点整理笔记（五）

• 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。
  • 输入型设备：鼠标、键盘等。
  • 输出型设备：显示器等。
  • 既可以输入、又可以输出的设备：移动硬盘。
• 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。
  • write操作：向外部设备写出数据；
  • read操作：从外部设备读入数据。
• I/O设备的分类：
  • 按使用特性：
    • 人机交互类外部设备：鼠标、键盘、打印机等。作用：用于人机交互。特点：数据传输速度慢。
    • 存储设备：移动硬盘，光盘等。作用：用于数据存储。特点：数据传输速度快。
    • 网络通信设备：调制解调器等。作用：用于网络通信。特点：数据传输速度介于上述两者之间。
  • 按传输速率：
    • 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：激光打印机等---传输速率为每秒数千至上百万个字节。
    • 高速设备：磁盘等---传输速率为每秒数千字节至千兆字节。
  • 按信息交换的单位分类：
    • 块设备：磁盘等---数据传输的基本单位是“块”。特点：传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读写人一块。
    • 字符设备：鼠标、键盘等---数据传输的基本单位是字符。特点：传输速率慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式。
• I/O设备由2部分组成：①机械部件：主要用来执行具体的I/O操作；②电子部件（I/O控制器、设备控制器）：通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
• I/O控制器（又称为设备控制器）：实现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。

I/O控制器的组成 内存映像I/O和 寄存器独立编址的区别

• I/O控制方式：①程序直接控制；②中断驱动；③DMA方式；④通道控制。

程序直接控制方式-轮询 程序直接控制方式-中断 DMA概念 DMA方式 通道控制 I/O软件层次结构

• 用户层软件：实现了与用户交互的接口，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。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。
• 设备独立性软件（又称为设备无关性软件）：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：①向上层提供统一的调用接口（如read/write系统调用）；②设备的保护，原理类似与文件保护；③差错处理；④设备的分配与回收；⑤数据缓冲区管理：可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；⑥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，其实现通过逻辑设备表（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。
• 操作系统可以采用两种方式管理逻辑设备表（LUT）：
  • 整个系统只设置一张LUT，这意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此，这种方式只适用于单用户操作系统。
  • 为每个用户设置一张LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于·多用户操作系统·。系统会在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而LUT就存放在用户管理进程的PCB中。

逻辑设备表

• 不同设备的内部硬件特性也不同，这些特定只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作。
• 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，包括设备寄存器，检查设备状态等。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 I/O核心子系统

• 手工操作阶段：主机直接从I/O设备获得数据，由于设备速度慢，主机速度很快，人机速度矛盾明显，主机要浪费很多时间来等待设备。
• 批处理阶段：引入了脱机输入/输出技术（用磁带完成）。

手工处理阶段 脱机技术

• 假脱机技术（又称为SPOOLing技术）：是用软件的方式模拟脱机技术。要实现SPOOLing技术，必须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系统的组成部分 共享打印机原理分析

• 设备分配时应考虑的因素：
  • 设备的固有属性，分为3种：
    • 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：可同时分配给多个进程使用（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，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机）。
  • 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，分为2种：
    • 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。一个时间段内每个进程只能使用一个设备。
      • 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会发生司死锁。
      • 缺点：对一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作。
    • 不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求，只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞。一个进程可以同时使用多个设备。
      • 优点：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进。
      • 缺点：有可能发生死锁（死锁避免，死锁的检测和解除）
• 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源。破坏了请求和保持条件，不会发生死锁。
• 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源。

• 设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况。

设备控制表

• 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。

控制器控制表

• 通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张CHCT，操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理。

通道控制表

• 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。

系统控制表 设备分配的步骤

• 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）

• 假设某用户进程请求某种设备读入若干块的数据，①若采用单缓冲的策略，则操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（默认为一个块）。注意：当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区中传入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区传入数据，但必须把缓冲区充满后，才能从缓冲区把数据传出。②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。

单缓冲区 双缓冲区 使用单/双缓冲区在通信时的区别 循环缓冲区 缓冲池