操作系统(五)输入/输出(I/O)管理
5.1 I/O管理概述
5.1.1 I/O设备
“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，或者可以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。
计算机系统中的I/O设备按使用特性可分为
- 人机交互类外部设备，如鼠标、键盘，用于人机交互，数据传输速度慢
- 存储设备，如移动硬盘、光盘等，用于数据存储，数据传输速度快
- 网络通信设备，如调制解调器等，用于网络通信，数据传输速度介于上述二者之间
按传输速率分类可分为
- 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，如激光打印机等，传输速率为每秒数千至上万个字节
- 高速设备，如磁盘等，传输速率为每秒数千字节至千兆字节的设备
按信息交换的单位分类
- 块设备：如磁盘等，数据传输的基本单位是“块”，传输速率较高，可寻址，即对它可随机地读/写任一块
- 字符设备：鼠标、键盘等，数据传输的基本单位是字符。传输速率较慢，不可寻址，在输入/输出时常采用中断驱动方式
5.1.2 I/O控制方式
5.1.2.1 程序直接控制方式
完成一次读/写操作的流程（以读操作为例）
- CPU向控制器发出读指令。于是设备启动，并且状态寄存器设为1（未就绪）
- 轮询检查控制器的状态（其实就是在不断地执行程序的循环，若状态位一直是1，说明设备还没准备好要输入的数据，于是CPU会不断地轮询）
- 输入设备准备好数据后将数据传给控制器，并报告自身状态
- 控制器将输入的数据放到数据寄存器中，并将状态改为0（已就绪）
- CPU发现设备已就绪，即可将数据寄存器中的内容读入CPU的寄存器中，再把CPU寄存器中的内容放入内存
- 若还要继续读入数据，则CPU继续发出读指令
读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存
写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备
每个字的读/写都需要CPU的帮助
优点：实现简单。在读/写指令之后，加上实现循环检查的一系列指令即可（因此才称为“程序直接控制方式”）
缺点：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。
5.1.2.2 中断驱动方式
引入中断机制。由于I/O设备速度很慢，因此在CPU发出读/写命令后，可将等待I/O的进程阻塞，先切换到别的进程执行。当I/O完成后，控制器会向CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的运行环境信息，转去执行中断处理程序处理该中断。处理中断的过程中，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到CPU寄存器，再写入主存。接着，CPU恢复等待I/O的进程（或其他进程）的运行环境，然后继续执行。
①CPU会在每个指令周期的末尾检查中断；
②中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境，
这个过程是需要一定时间开销的。可见，如果中断发生的频率太高，也会降低系统性能
读操作（数据输入）：I/O设备→CPU→内存
写操作（数据输出）：内存→CPU→I/O设备
优点：与“程序直接控制方式”相比，在“中断驱动方式”中，I/O控制器会通过中断信号主动报告I/O已完成，CPU不再需要不停地轮询。CPU和I/O设备可并行工作，CPU利用率得到明显提升。
缺点：每个字在I/O设备与内存之间的传输，都需要经过CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
5.1.2.3 DMA方式
与“中断驱动方式”相比，DMA方式（Direct Memory Access，直接存储器存取。主要用于块设备的I/O控制）有这样几个改进：
- 数据的传送单位是“块”。不再是一个字、一个字的传送；
- 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。
- 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要CPU干预。
具体见计组第七章
优点：数据传输以“块”为单位，CPU介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过CPU再写入内存，数据传输效率进一步增加。CPU和I/O设备的并行性得到提升。
缺点：CPU每发出一条I/O指令，只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU要分别发出多条I/O指令，进行多次中断处理才能完成。
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5.1.2.4 通道控制方式
通道：一种硬件，可以理解为是“小型CPU”。通道可以识别并执行一系列通道指令
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与CPU相比，通道可以执行的指令很单一，并且通道程序是放在主机内存中的，也就是说通道与CPU共享内存，CPU干预的频率
极低，通道会根据CPU的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求CPU干预。
缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
优点：CPU、通道、I/O设备可并行工作，资源利用率很高。
| 名称 | 完成一次读写的过程 | CPU干预频率 | 每次I/O的数据传输单位 | 数据流向 |
|---|---|---|---|---|
| 程序直接控制方式 | CPU发出I/O命令后需要不断轮询 | 极高 | 字 | 设备→CPU→内存 内存→CPU→设备 |
| 中断驱动方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号 | 高 | 字 | 设备→CPU→内存 内存→CPU→设备 |
| DMA方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事，本次I/O完成后DMA控制器发出中断信号 | 中 | 块 | 设备→内存 内存→设备 |
| 通道控制方式 | CPU发出I/O命令后可以做其他事。通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号 | 低 | 一组块 | 设备→内存 内存→设备 |
5.1.3 I/O子系统的层次结构
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- 用户层软件：用户层软件实现了与用户交互的接口，用户可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。操作系统向外提供的一系列系统调用，但是由于系统调用的格式严格，使用麻烦，因此在用户层上封装了一系列更方便的库函数接口供用户使用
- 设备独立性软件：设备独立性软件，又称设备无关性软件。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②设备的保护③差错处理④设备的分配与回收⑤数据缓冲区管理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
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操作系统系统可以采用两种方式管理逻辑设备表（LUT）：
第一种方式，整个系统只设置一张LUT，这就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。
第二种方式，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。
- 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。包括设置设备寄存器；检查设备状态等.不同的I/O设备有不同的硬件特性，具体细节只有设备的厂家才知道。因此厂家需要根据设备的硬件特性设计并提供相应的驱动程序。
- 中断处理程序:当I/O任务完成时，I/O控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。
- 硬件：执行I/O操作，有机械部件、电子部件组成
直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的；没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的）
5.2 I/O核心子系统
5.2.1 I/O调度
II/O调度：用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求。
如：磁盘调度（先来先服务算法、最短寻道优先算法、SCAN算法、C-SCAN算法、LOOK算法、C-LOOK算法）。当多个磁盘I/O请求到来时，用某种调度算法确定满足I/O请求的顺序。同理，打印机等设备也可以用先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等算法来确定I/O调度顺序。
5.2.2 设备保护
操作系统需要实现文件保护功能，不同的用户对各个文件有不同的访问权限（如：只读、读和写等）。在UNIX系统中，设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的FCB。当用户请求访问某个设备时，系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。
5.2.3 假脱机技术（SPOOLing技术）
批处理阶段引入了脱机输入/输出技术（用磁带完成）：引入脱机技术后，缓解了CPU与慢速I/O设备的速度矛盾。另一方面，即使CPU在忙碌，也可以提前将数据输入到磁带；即使慢速的输出设备正在忙碌，也可以提前将数据输出到磁带。
在外围控制机的控制下，慢速输入设备的数据先被输入到更快速的磁带上。之后主机可以从快速的磁带上读入数据，从而缓解了速度矛盾
“假脱机技术”，又称“SPOOLing技术”是用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统的组成如下：
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要实现SPOOLing技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立“输入进程”和“输出进程”。
- “输入进程”模拟脱机输入时的外围控制机，在输入进程的控制下，“输入缓冲区”用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中
- “输出进程”模拟脱机输出时的外围控制机，在输出进程的控制下，“输出缓冲区”用于暂存从输出井送来的数据，之后再传送到输出设备上
在磁盘上开辟出两个存储区域——“输入井”和“输出井”
- “输入井”模拟脱机输入时的磁带，用于收容I/O设备输入的数据
- “输出井”模拟脱机输出时的磁带，用于收容用户进程输出的数据
SPOOLing技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可将独占式设备改造成共享设备。
独占式设备——只允许各个进程串行使用的设备。一段时间内只能满足一个进程的请求。
共享设备——允许多个进程“同时”使用的设备（宏观上同时使用，微观上可能是交替使用）。可以同时满足多个进程的使用请求。
5.2.4 设备的分配与回收
5.2.4.1 设备的固有属性
设备的固有属性可分为三种：独占设备、共享设备、虚拟设备。
- 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：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）
5.2.4.2 设备分配
从进程运行的安全性上考虑，设备分配有两种方式：
- 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，不会死锁
缺点：对于一个进程来说，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）
设备的分配方式：
- 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
5.2.4.3 设备分配管理中的数据结构
设备分配管理中的数据结构有
- 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
- 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。
- 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。
- 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。
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5.2.4.4 设备分配步骤的步骤及改进
设备分配步骤的步骤：
- 根据进程请求的物理设备名查找SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
- 根据SDT找到DCT，若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
- 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。
- 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。
缺点：
- 用户编程时必须使用“物理设备名”，底层细节对用户不透明，不方便编程
- 若换了一个物理设备，则程序无法运行
- 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待
改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名
- 根据进程请求的逻辑设备名查找SDT（注：用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”）
- 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。
- 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。
- 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。
某用户进程第一次使用设备时使用逻辑设备名向操作系统发出请求，操作系统根据用户进程指定的设备类型（逻辑设备名）查找系统设备表，找到一个空闲设备分配给进程，并在LUT中增加相应表项。如果之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名请求使用设备，则操作系统通过LUT表即可知道用户进程实际要使用的是哪个物理设备了，并且也能知道该设备的驱动程序入口地址。
- 整个系统只有一张LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，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
5.2.5 缓冲区管理
5.2.5.1 缓冲区的概念
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）
一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区
缓冲区的作用
- 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
- 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
- 解决数据粒度不匹配的问题
- 提高CPU与I/O设备之间的并行性
根据系统设置的缓冲区个数，缓冲技术可以分为单缓冲、双缓冲、循环缓冲区
5.2.5.2 单缓冲
假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）。
注意：当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出。
T>C，因此CPU处理完数据后暂时不能将下一块数据传送到工作区，必须等待缓冲区中冲满数据
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单缓冲区处理每块数据的用时为
5.2.5.3 双缓冲
假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。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（若题目中没有特别说明，一个缓冲区的大小就是一个块）
双缓冲题目中，假设初始状态为：工作区空，其中一个缓冲区满，另一个缓冲区空，假设T>C+M，时间为T
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假设T<C+M，时间为C+M
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采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为
若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一时刻只能实现数据的单向传输。
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
5.2.5.4 循环缓冲区
将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。
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5.2.5.5 缓冲池
缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。
另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：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）
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从空缓冲队列中取出一块作为收容输入数据的工作缓冲区（hin）。冲满数据后将缓冲区挂到输入队列队尾
