18 I/O系统

I/O系统是计算机系统中的重要组成部分，是用于实现数据输入、输出以及数据存储的系统。该系统中包括用于实现信息输入输出和存储功能的相应控制设备，在大中型机中，还有设备控制器以及I/O通道。

1 I/O设备

I/O设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战性的部分。由于它包含了很多领域的不同设备以及与设备相关的应用程序，因此很难有一个通用且一致的设计方案。所以在理解设备管理之前，应该先了解具体的I/O设备类型。

1.1 按使用特性分类：

• 输入输出设备
  用于同计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换。
• 存储设备
  用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常以多字节组成的块为单位进行数据交换。
• ** 网络通信设备**
  用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。网络通信设备在使用和管理上与前两类设备也有很大不同。

1.2 按传输速率分类：

• 低速设备
  传输速率仅为每秒几个到数百个字节的一类设备，如键盘、鼠标等。
• 中速设备
  传输速率在每秒数千个字节至数万个字节的一类设备，如行式打印机、 激光打印机等。
• 高速设备
  传输速率在数百个千字节至千兆字节的一类设备，如磁带机、磁盘机、 光盘机等。

1.3 按信息交换的单位分类：

• 块设备
  由于信息的存取总是以数据块为单位，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高，以及可寻址，即对它可随机地读/写任一块。
• 字符设备
  用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常釆用中断驱动方式。

1.4 按共享属性分类：

• 独占设备
  在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，即临界资源。并发进程需要互斥地使用此类设备。设备的不当分配可能导致死锁。
• 共享设备
  在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。对于每一时刻而言，该类设备仍然只允许一个进程访问。共享设备必须是可寻址和随机访问的。共享设备不仅可以获得良好的设备利用率，还是实现文件系统和数据库的物质基础，例如磁盘。
• 虚拟设备
  指通过虚拟技术（Spooling技术）将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供多个用户（进程）使用。

2 设备控制器

设备通常不与CPU直接通信，而是与设备控制器通信。后者的主要职责是控制一个的、或者多个I/O设备，以实现I/O设备与与计算机之间的信息交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，接受从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作。

设备控制器由设备控制器与处理机接口、设备控制器与设备接口以及I/O逻辑三部分组成。其基本功能包括：

• 接收和识别命令
  CPU可以向控制器发送多种不同的命令，设备控制器负责识别这些命令。
• 数据交换
  指设备控制器与CPU之间、设备控制器与设备间的数据交换。
• 标识和报告设备的状态
  控制器应记下设备的状态供CPU了解。
• 地址识别
  系统中每个设备都应有独特的地址，设备控制器必须能够给设备它所控制的每个设备的地址。
• 数据缓冲
  由于I/O设备速率较低，CPU和内存的速率却很高，因此需要在设备控制器中设置缓冲器。
• 差错控制
  设备控制器还兼管对I/O设备传送来的数据进行差错检测。

3 I/O通道

虽然设备控制器能够大幅度减少CPU对I/O的干预，但CPU的负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了通道。

I/O通道是特殊的处理机，具有执行I/O指令的功能。其设置的目的是为了建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送能力独立于CPU，而且希望有关对I/O操作的组织、管理以及结束处理尽量独立，以保证CPU有更多时间去处理其他事务。

I/O通道根据信息交换方式不同，分为：字节多路通道、数组选择通道、数据多路通道。数据多路通道以数组方式进行数据传送，解决了字节多路通道传输速率低、数组选择通道无法分时并行操作的缺点，具有较高的数据传输速率和令人满意的通道利用率。广泛地用于连接多台高、中速外围设备。

4 总线系统

在计算机中的各部件，如CPU、存储器以及各类I/O设备之间的联系都是通过总线实现的。其性能是通过总线的始终频率、带宽和相应的总线传输速率衡量的。

总线由早期的ISA总线，发展为EISA总线、VESA总线，进而发展为当前广为流行的PCI总线。