OS重要知识点摘录（考研用）——第五章：输入/输出（I/O）管理

淩亂°似流年 2023-10-06 15:37 49阅读 0赞

## OS重要知识点摘录（考研用）——第五章：输入/输出（I/O）管理 ##

本文参考于《2021年操作系统考研复习指导》（王道考研），《计算机操作系统教程》

下图所示为DMA控制器的组成：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
  要在主机与控制器之间实现成块数据的直接交换，须在DMA控制器中设置如下4类寄存器：  
  （1）命令/状态寄存器CR  
  用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息，或设备的状态  
  （2）内存地址寄存器MAR  
  在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。  
  （3）数据寄存器DR  
  用于暂存从设备到内存或从内存到设备的数据  
  （4）数据计数器DC  
  存放本次要传送的字（节）数

#####  5.1.3 I/O子系统的层次结构 #####

在I/O软件中普遍采用层次式结构，将系统输入/输出功能组织成一系列的层次，每层都利用其下层提供的服务，完成输入/输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。  
  一种层次划分如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
  （1）用户层I/O软件  
  实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。  
  一般而言，大部分的I/O软件都在OS内部，但仍有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。用户层软件必须通过一组系统调用来获取OS服务。

（2）设备独立性软件  
  用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护及设备分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。  
  设备独立性也称设备无关性，设备独立性是指用户在编程序时使用的设备与实际设备无关。一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备，即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型即可。设备独立性使得应用程序独立于具体使用的物理设备。为实现设备独立性而引入了逻辑设备 和物理设备 这两个概念。在应用程序中，使用逻辑设备名来请求使用某类设备；而在系统实际执行时，必须将逻辑设备名映射成物理设备名使用。  
  使用逻辑设备名的好处是：①增加设备分配的灵活性；②易于实现I/O重定向，所谓I/O重定向，是指用于I/O操作的设备可以更换（即重定向），而不必改变应用程序。 ③方便用户编程、使程序运行不受具体机器环境的限制、便于程序移植等  
  为了实现设备独立性，必须再在驱动程序之上设置一层设备独立性软件。设备独立性软件的主要功能可分为以下两个方面：  
  ①执行所有设备的公有操作  
  包括：对设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名； 对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理；差错控制；提供独立于设备的大小统一的逻辑块，屏蔽设备之间信息交换单位大小和传输速率的差异。  
  ②向用户层（或文件层）提供统一接口  
  无论何种设备，它们向用户所提供的接口应是相同的。例如，对各种设备的读/写操作，在应用程序中都统一使用read/write命令等。

（3）设备驱动程序  
  设备驱动程序指与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。  
  通常，每类设备配置一个设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，常以进程形式存在。设备驱动程序向上层用户提供一组标准接口，设备具体的差别被设备驱动程序所封装，用于接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read和write命令，转换为具体要求后，发送给设备控制器，控制I/O设备工作；它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件，从而为I/O内核子系统隐藏设备控制器之间的差异。

（4）中断处理程序  
  用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程  
  中断处理层的主要任务有：进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等。由于中断处理与硬件紧密相关，对用户而言，应尽量加以屏蔽，因此应放在OS的底层，系统的其余部分尽可能少地与之发生联系。

（5）硬件设备  
  I/O设备通常包括一个机械部件和一个电子部件。为了达到设计的模块性和通用性，一般将其分开：电子部件称为设备控制器（或适配器）， 在PC中，通常是一块插入主板扩充槽的印制电路板；机械部件则是设备本身。

设备控制器通过寄存器与CPU通信，在某些计算机上，这些寄存器占用内存地址的一部分，称为内存映像I/O；另一些计算机则采用I/O专用地址，寄存器独立编址。 OS通过向控制器寄存器写命令字来执行I/O功能。 控制器收到一条命令后，CPU可以转向进行其他工作，而让设备控制器自行完成具体的I/O操作。当命令执行完毕后，控制器发出一个中断信号，OS重新获得CPU的控制权并检查执行结果，此时，CPU仍旧从控制器寄存器中读取信息来获得执行结果和设备的状态信息。

设备控制器的主要功能如下：  
  （1）接收和识别CPU或通道发来的命令，如磁盘控制器能接收读、写、查找等命令  
  （2）实现数据交换，包括设备和控制器之间的数据传输；通过数据总线或通道，控制器和主存之间的数据传输。  
  （3）发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用  
  （4）设备地址识别

设备控制器的组成：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
  设备控制器包含以下组成部分：  
  ①设备控制器与CPU的接口  
  该接口有三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线通常与两类寄存器相连：数据寄存器（存放从设备送来的输入数据或从CPU送来的输出数据） 和控制/状态寄存器（存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息）  
  ②设备控制器与设备的接口  
  设备控制器连接设备需要相应数量的接口，一个接口连接一台设备。每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。  
  ③I/O控制逻辑  
  用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与CPU交互，对从CPU收到的I/O命令进行译码。CPU启动设备时，将启动命令发送给控制器，同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对地址进行译码，并相应地对所选设备进行控制。

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各层次在一次命令中的出现情况：  
  例如，当用户要读取某设备的内容时，通过OS提供的read命令接口，这就经过了用户层  
  OS提供给用户使用的接口，一般是统一的通用接口，也就是几乎每个设备都可以响应的统一命令，如read命令，用户发出的read命令，首先经过设备独立层进行解析，然后再交往下层。  
  接下来，不同类型的设备对read命令的行为会有所不同，如磁盘接收read命令后的行为与打印机接收read命令后的行为是不同的。因此，需要针对不同的设备，把read命令解析成不同的指令，这就经过了设备驱动层。  
  命令解析完毕后，需要中断正在运行的进程，转而执行read命令，这就需要中断处理程序。  
  最后，命令真正抵达硬件设备，硬件设备的控制器按照上层传达的命令操控硬件设备，完成相应的功能

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######   1.磁盘高速缓存（Disk Cache） ######

磁盘高速缓存技术不同于通常意义下的介于CPU与内存之间的小容量高速存储器，而是指利用内存中的存储空间来暂存从磁盘读出的一系列盘块中的信息。 因此，磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘，物理上则是驻留在内存中的盘块。  
  高速缓存在内存中分为两种形式：一种是在内存中开辟一个单独的存储空间作为磁盘高速缓存，大小固定；另一种是把未利用的内存空间作为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时共享。

######   2.缓冲区 ######

（2）采用缓冲区（位于内存区域）  
  缓冲区有一个特点，即当缓冲区的数据非空时，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后，才能从缓冲区把数据传出。  
  根据系统设置缓冲器的个数，缓冲技术可分为以下几种：

（1）单缓冲  
  在设备和处理机之间设置一个缓冲区。 设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲区，然后需要数据的设备或处理机从缓冲区取走数据。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
  在块设备输入时，假定从磁盘把一块数据输入缓冲区的时间为T，OS将该缓冲区中的数据传送到用户区的时间为M，而CPU对这一块数据处理的时间为C。  
  在研究各种缓冲技术的每块数据的处理时间时，可假设一种初始状态，然后计算下一次到达相同状态时所需要的时间，就是处理一块数据所需要的时间。在单缓冲中，这种初始状态为：工作区是满的，缓冲区是空的。若无特殊说明，一般认为缓冲区的大小与工作区的大小相等。  
  设T>C,从初始状态开始，当工作区数据处理完后，时间为C，缓冲区还没充满，当缓冲区充满时，经历了时间T，停止再冲入数据，然后缓冲区向工作区传送数据，当工作区满了以后，缓冲区的数据同时也为空，用时为M，到达下一个开始状态，整个过程用时M+T；若T<C，同理，整个过程用时M+C。所以单缓冲区处理每块数据的用时为max（C,T）+M

（2）双缓冲  
  根据单缓冲的特点，CPU在传送时间M内处于空闲状态，因此引入双缓冲。I/O设备输入数据时先装填到缓冲区1，在缓冲区1填满后才开始装填缓冲区2，与此同时处理机可以从缓冲区1中取出数据放入用户进程处理，当缓冲区1中的数据处理完后，若缓冲区2已填满，则处理机又从缓冲区2中取出数据放入用户进程处理，而I/O设备又可以装填缓冲区1。 注意，必须等缓冲区2充满才能让处理机从缓冲区2取出数据。双缓冲机制提高了处理机和输入设备的并行操作的程度。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]

设初始状态为：工作区为空，其中一个缓冲区（缓冲区2）满，另一个缓冲区（缓冲区1）空；  
  设T<C+M，缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据后，缓冲区2为空，时间为M，然后工作区开始处理数据，缓冲区1继续冲入数据，因为此时只有一个I/O设备，所以缓冲区2虽然为空，但不能冲入数据。当缓冲区1充满数据后，工作区的数据还未处理完毕，时间为T，当工作区数据处理完毕后，此时工作区为空，缓冲区1满，缓冲区2为空，达到下一个初始状态，用时C+M。  
  设T>C+M，缓冲区2开始向工作区传送数据，缓冲区1开始冲入数据，当工作区充满数据并处理完后，用时C+M，但缓冲区1的数据还未充满；当时间为T时，缓冲区1的数据充满，达到下一个初始状态  
  双缓冲区处理一块数据的用时为max（C+M，T）  
  若M+C<T，则可使块设备连续输入；若M+C>T，则可使CPU不必等待设备输入。  
  对于字符设备，若采用行输入方式，则采用双缓冲可使用户在输入第一行后，在CPU执行第一行中的命令的同时，用户可继续向第二缓冲区输入下一行数据。而单缓冲情况下则必须等待一行数据被提取完毕才可输入下一行的数据。

若两台机器之间通信仅配置了单缓冲，则它们在任意时刻都只能实现单方向的数据传输。例如，只允许把数据从A机传送到B机，或从B机传送到A机，而绝不允许双方同时向对方发送数据。为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

（4）缓冲池  
  由多个系统公用的缓冲区组成，缓冲区按其使用状况可以形成三个队列：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）和装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。 还应具有4种缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区、用于收容输出数据的工作缓冲区及用于提取输出数据的工作缓冲区。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
  当输入进程需要输入数据时，便从空缓冲队列的队首摘下一个空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区，然后把输入数据输入其中，装满后再将它挂到输入队列队尾。 当计算进程需要输入数据时，便从输入队列取得一个缓冲区作为提取输入工作缓冲区，计算进程从中提取数据，数据用完后再将其挂到空缓冲队列尾。 当计算进程需要输出数据时，便从空缓冲队列的队首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区，当其中装满输出数据后，再将它挂到输出队列队尾。当要输出时，由输出进程从输出队列中取得一个装满输出数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区，当数据提取完后，再将它挂到空缓冲队列的队尾。

#####  5.2.4 设备分配与回收 #####

######   1.设备分配概述 ######

（1）独占式使用设备  
  指在申请设备时，若设备空闲，则将其独占，不再允许其他进程申请使用，一直等到该设备被释放才允许其他进程申请使用。 例如，打印机。  
  （2）分时式共享使用设备  
  独占式使用设备时，设备利用率很低，当设备没有独占使用的要求时，可以通过分时共享使用提高利用率。例如，对磁盘设备的I/O操作，各进程的每次I/O操作请求可以通过分时来交替进行  
  （3）以SPOOLing方式使用外部设备  
  SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On-Line）技术是在批处理OS时代引入的，即假脱机I/O技术。这种技术用于对设备的操作，实质上就是对I/O操作进行批处理。 SPOOLing技术实质上是一种以空间换时间的技术， 它与请求分页系统中的页面调度算法思想相反，页面调度是以时间换空间的技术。

######   2.设备分配的数据结构 ######

设备分配依据的主要数据结构有设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）和系统设备表（SDT）。  
  设备控制表（DCT）：可以认为，一个设备控制表就表征一个设备，而这个控制表中的表项就是设备的各个属性。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
  每个设备都分为机械部件和电子部件两部分，其中负责解析上层传达的命令并控制机械部件运作的是电子部件（控制器），所以每个DCT都需要一个表项来表示控制器，即需要一个指向控制器控制表COCT的指针 ，因此DCT与COCT有一 一对应的关系。  
  现代OS的I/O控制采用的都是通道控制。 设备控制器控制设备与内存交换数据，而设备控制器又需要请求通道为它服务， 因此每个COCT必定有一个表项存放指向相应通道控制表CHCT的指针，而一个通道可为多个设备控制器服务，因此CHCT中必定有一个指针，指向一个表，这个表上的信息表达的是CHCT提供服务的那几个设备控制器。CHCT与COCT是一对多的关系。

系统设备表（SDT）：整个系统只有一张SDT，它记录已连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个表目。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]

设备分配的过程：  
  （1）分配设备  
  首先根据I/O请求中的物理设备名查找系统设备表SDT，从中找出该设备的DCT，再根据DCT中的设备状态字段，可知该设备是否正忙。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂到设备队列上；若空闲，则按照一定的算法计算设备分配的安全性，若安全则将设备分配给请求进程，否则仍将其PCB挂到设备队列上  
  （2）分配控制器  
  系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的控制器的COCT，从COCT中的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，则将请求I/O进程的PCB挂到该控制器的等待队列上；若空闲，则将控制器分配给进程  
  （3）分配通道  
  在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT，再根据CHCT内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，则将请求I/O的进程挂到该通道的等待队列上；若空闲，则将该通道分配给进程。只有在上述三者都分配成功时，这次设备的分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数据传送。

为使独占设备的分配具有更强的灵活性，提高分配的成功率，可从以下两方面对基本的设备分配程序加以改进：  
  （1）增加设备的独立性  
  进程使用逻辑设备名请求I/O。这样，系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT。若该设备忙，则又查找第二个该类设备的DCT。仅当所有该类设备都忙时，才把进程挂到该类设备的等待队列上；只要有一个该类设备可用，系统便进一步计算分配该设备的安全性  
  （2）考虑多通路情况  
  为防止I/O系统的"瓶颈"现象，通常采用多通路的I/O系统结构。此时对控制器和通道的分配同样要经过几次反复，即若设备（控制器）所连接的第一个控制器（通道）忙时，则应查看其所连接的第二个控制器（通道），仅当所有的控制器（通道）都忙时，此次的控制器（通道）分配才算失败，才把进程挂到控制器（通道）的等待队列上。而只要有一个控制器（通道）可用，系统便可将它分配给进程。

设备的分配过程中，先后分别访问的数据结构为SDT——>DCT——>COCT——>CHCT。要成功分配一个设备，必须要：1.设备可用；2.控制器可用；3.通道可用

######   5.逻辑设备名到物理设备名的映射 ######

设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。  
  为了实现设备独立性，在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备，在系统中设置一张逻辑设备表（Logical Unit Table,LUT）,用于将逻辑设备名映射为物理设备名。 LUT表项包括逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址；当进程用逻辑设备名来请求分配设备时，系统为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表项，以后进程再利用逻辑设备名请求I/O操作时，系统通过查找LUT来寻找相应的物理设备和驱动程序。  
  在系统中可采取两种方式建立逻辑设备表：  
  （1）在整个系统中只设置一张LUT  
  所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，因此不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统。  
  （2）为每个用户设置一张LUT。当用户登录时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并把该表放入进程的PCB

#####  5.2.5 SPOOLing技术（假脱机技术） #####

为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入/输出技术。 该技术利用专门的外围控制机，将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。 SPOOLing的意思是外部设备同时联机操作，又称假脱机输入/输出操作，是OS中采用的一项将独占设备改造成共享设备的技术。  
  SPOOLing系统的组成如图所示：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0NzA5OTkw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 9]

######   1.输入井和输出井 ######

输入井和输出井是指在磁盘上开辟出的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，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盘，用于收容用户程序的输出数据。

######   2.输入缓冲区和输出缓冲区 ######

输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送到输出设备。

######   3.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，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区再送到输入井。当CPU需要输入数据时，直接将数据从输入井读入内存。输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备。  
  共享打印机是使用SPOOLing技术的一个实例，当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正立即把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事：  
  （1）由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中  
  （2）输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上  
  SPOOLing系统的主要特点有：提高了I/O的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。  
  磁盘是一种高速设备，在与内存交换数据的速度上优于打印机、键盘、鼠标等中低速设备。若没有SPOOLing技术，CPU要向打印机输出要打印的数据，打印机的打印速度比较慢，CPU必须迁就打印机，在打印机把数据打印完后才能继续做其他的工作，浪费了CPU的不少时间。在SPOOLing技术下，CPU要打印机打印的数据可以先输出到磁盘的输出井中（这个过程由输出进程控制），然后做其他的事情。若打印机此时被占用，则SPOOLing系统就会把这个打印请求挂到等待队列上，待打印机有空时再把数据打印出来。向磁盘输出数据的速度比向打印机输出数据的速度快，因此就节省了时间。而它须开辟磁盘上的空间作为输入井和输出井，因此说SPOOLing技术是一种空间换时间的技术。

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