操作系統（IO管理）

操作系統（IO管理）

一，IO概念

IO就是輸入/輸出（input / output）

IO設備就是可以將數據輸入到計算機，或者可以接收計算機輸出數據的外部設備，屬於計算機的硬件部件

日常生活中，最典型的IO設備就是如下幾種：

• 鍵盤，字符輸入設備（input）
• 顯示器，輸出設備（output）
• 移動硬盤，既可以輸入又可以輸出的設備

IO設備分類

• 按使用特性分類

  • 人機交互類設備（數據傳輸速度慢）
  • 存儲設備（數據傳輸速度快）
  • 網絡通信設備（數據傳輸速度介於上述兩者之間）

• 按照傳輸速率分類

  • 低速設備（每秒幾個到幾百字節）
  • 中速設備（每秒幾千到上萬個字節）
  • 高速設備（每秒數千到千兆字節）

• 按信息交換的單位分類

  • 塊設備（傳輸快，可尋址）
  • 字符設備（傳輸慢，不可尋址，常採用中斷驅動方式）

二，IO控制

2.1IO控制器

CPU無法直接控制IO設備的機械部件，因此IO設備還要有一個電子部件作爲CPU和IO設備機械部件之間的中介，用於實現CPU對設備的控制，該電子部件就是IO控制器，又稱爲設備控制器，CPU控制IO控制器，IO控制器來控制IO的機械設備

IO控制器的功能

• 接受和識別CPU發出的指令
  • IO控制器中有相應的控制寄存器來存放cpu傳來的相應的命令和參數
• 向cpu報告設備狀態
  • IO控制器中有相應的狀態寄存器來記錄當前IO設備的狀態
• 數據交換
  • IO控制器中有相應的數據寄存器
    • 輸出時，數據寄存器用於暫存CPU發來的數據，之後再由控制器傳送設備
    • 輸入時，數據寄存器用於暫存設備發來的數據，之後cpu從數據寄存器中取走數據
• 地址識別
  • 爲了區分設備控制器中的各個寄存器，也要給各個寄存器設置一個特定的地址，IO控制器通過CPU提供的地址來判斷cpu要讀/寫哪個寄存器

IO控制器的組成

上文中有說過要給寄存器編地址來區分設備控制器中的各個寄存器

編址方式：

• 內存映像IO（控制器中的寄存器和內存統一編制）

• 寄存器獨立編址（控制器中寄存器獨立編制）

2.2IO控制方式

2.2.1程序直接控制方式

完成一次讀操作流程

• CPU向控制器發出讀指令，設備啓動，並且報告自身狀態
• CPU輪詢檢查狀態控制器中的寄存器，當狀態寄存器中設備狀態變爲已經就緒時，就準備從設備中讀入數據
• 設備在準備好數據後傳給數據寄存器
• CPU從數據寄存器中讀入數據到cpu寄存器
• CPU把CPU寄存器中的數據放入內存
• 判斷是否還要繼續讀入數據，還需要讀入則cpu繼續發出讀指令

cpu干預頻率

CPU干預的頻率很頻繁，IO操作開始之前，完成之後都需要CPU介入，並且在等待IO完成的過程中CPU需要不斷的輪詢檢查設備狀態

數據傳送單位

數據的傳送單位是一個字

數據的流向

• 讀操作（數據輸入）：IO設備 -》 CPU -》內存
• 寫操作（數據輸出）：內存 -》CPU -》IO設備

每個字的讀寫都需要cpu的幫助

主要缺點和主要優點

• 優點：實現簡單
• 缺點：cpu利用率低，cpu和IO設備只能串行工作

2.2.2中斷驅動方式

完成一次讀操作流程

引入中斷機制，由於IO設備速度很慢，因此在CPU發出讀寫命令後，可將等待IO的進程阻塞，先切換到別的進程執行（CPU去做別的事情）當IO完成後，IO控制器給CPU發出一箇中斷信號，CPU檢測到中斷信號後，會保存當前進程的上下文環境，切換去執行中斷處理程序處理該中斷，處理中斷過程中，CPU從IO控制器讀一個字到cpu的寄存器，然後在放入內存，接着，CPU恢復等待IO的進程的上下文，然後繼續執行

其實就是相當於，CPU在發出了讀命令給IO控制器後就阻塞當前等待IO的進程，讓IO設備器自己完成IO，等到設備將數據放到IO控制器的數據寄存器後，IO控制器向CPU發出中斷，讓cpu來取數據放入內存

cpu干預頻率

每次IO操作開始之前，完成之後都需要CPU介入

等待IO完成的過程中CPU可以切換到別的進程執行

數據傳送單位

數據的傳送單位是一個字

數據的流向

• 讀操作（數據輸入）：IO設備 -》 CPU -》內存
• 寫操作（數據輸出）：內存 -》CPU -》IO設備

主要缺點和主要優點

• 優點：與程序直接控制方式相比，在中斷驅動方式中，IO控制器會通過中斷信號主動報告IO完成，CPU不需要不停的輪詢，cpu可以和IO設備並行工作，CPU利用率得到提升
• 缺點，頻繁的中斷處理會消耗比較多的CPU時間

2.2.3DMA方式

DMA（直接存儲器存取）

• 數據傳送單位時塊，不再試一個字，一個字的傳送
• 數據流向：設備直接到內存或內存直接到設備

• DR（數據寄存器）：暫存從設備到內存，或從內存到設備的數據
• MAR（內存地址寄存器）：在輸入時，MAR表示數據應放到內存的什麼位置，輸出時，MAR表示要輸出的數據放在內存的什麼位置
• DC（數據計數器）：表示剩餘要讀/寫的字節數
• CR（命令/狀態寄存器）：用於存放CPU發出來的IO命令，或設備的狀態信息

• CPU指明此次要進行的操作，比如讀操作，並說明要讀入多少數據，數據要存放在內存的什麼位置，數據在外部設備上的地址

• 控制器會根據CPU提出的要求完成數據的讀寫工作，整塊數據的傳輸完成後，才向CPU發出中斷信後

• dma可以直接和內存交互

cpu干預頻率

盡在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需要cpu干預

主要缺點和主要優點

• 優點：數據傳輸效率提高，cpu和IO設備的並行性提到提升
• 缺點：CPU每發出一條IO指令，只能讀寫一個或多個連續的數據塊，如果要讀寫多個離散存儲的數據塊，或者要將數據分別寫到不同的內存區域，CPU要發出多條IO指令。處理多次中斷才能完成

2.2.4通道控制方式

通道，獨立於CPU的專門負責輸入輸出控制的處理機，他控制設備與內存直接進行數據交換，有自己的通道指令，這些指令由CPU啓動，並在操作結束時向CPU發送中斷信號。

通道控制方式實現了CPU，通道和IO設備三者的並行操作，從而更加有效的提高整個系統的資源利用率，當CPU要完成一組讀操作時，只需要向IO通道發出一條IO指令，指出其所要執行的通道程序的內存地址和要訪問的IO設備，通道收到該指令後，通過執行通道程序便可以完成CPU指定的IO任務，可見 通道只是在 I/O 操作的起始和結束時向 CPU 發出 I/O 中斷申請，相對於之前的控制方式進一步減少了 CPU 的干預程度。

cpu干預頻率

通道只是在 I/O 操作的起始和結束時向 CPU 發出 I/O 中斷申請，相對於之前的控制方式進一步減少了 CPU 的干預程度。

數據傳送單位

塊

三，IO核心子系統

IO核心子系統主要做的就是IO調度，設備保護，設備分配和回收，緩衝區管理（緩衝和高速緩存）

3.1緩衝區管理

如果是字符型設備，則每輸出完一個字符就要想CPU發出一次中斷信號

使用緩衝區之後，IO設備往緩衝區發送字符數據，等到緩衝區滿了在發往CPU

緩衝區的作用：

• 緩和CPU和IO設備之間速度不匹配的矛盾
• 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷相應時間的限制
• 解決數據粒度不匹配的問題
• 提高CPU與IO設備之間的並行性

單緩衝

操作系統會在主存中爲其分配一個緩衝區，當緩衝區數據非空時，不能往緩衝區衝入數據，只能從緩衝區把數據傳出

雙緩衝

操作系統會在主存中爲其分配兩個緩衝區

使用單/雙緩衝在通信時的區別

兩臺機器之間通信時，可以配置緩衝區用於數據的發送和接收

任意時刻，設置單緩衝的兩臺機器只能實現數據的單向傳輸

如果設置兩個緩衝區的話就可以實現數據的雙向通信

循環緩衝區

很多大小相等的緩衝區鏈接成一個循環隊列

緩衝池