11.输入输出系统

I/O系统管理的主要对象

I/O系统管理的主要对象是I/O设备和相应的设备控制器。其最主要的任务是，完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率，以及提高设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段。

I/O设备类型

• 按传输速率分类：低速设备（键盘、鼠标）、中速设备（打印机）、高速设备（磁盘机）
• 按信息的交换的单位分类：块设备（磁盘）、字符显示设备（终端机、打印机）
• 按设备共享属性分类：独占设备（打印机）、共享设备（磁盘）、虚拟设备

I/O接口（设备控制器）的组成

1. 设备控制器与CPU的接口
2. 设备控制器与设备的接口
3. I/O逻辑

I/O控制方式

1. 程序直接控制方式（CPU主动询问，CPU利用率低）

   ​ 早期的计算机系统无中断机构，CPU采用这种方式控制I/O操作，该方式又叫忙等待方式。在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中， 造成对CPU的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU中无中断机构， 使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。

2. 中断驱动方式（CPU被动通知，CPU利用率稍微提高）

   允许I/O设备主动打断CPU工作，并请求服务

   • 广泛使用，适合低速设备（键盘、鼠标）

   • 中断驱动方式下的CPU以字（节）为单位对I/O进行干预

3. DMA（直接存储性存取）方式（CPU被动通知，CPU利用率进一步提高）

   在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路

   • 数据传输的基本单位是数据块
   • 数据在设备与内存之间直接传递（不需经过CPU）
   • 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需CPU干预，其余均在控制器的控制下完成
   • DMA控制器的组成：(1)命令/状态寄存器CR (2)内存地址寄存器MAR (3)数据寄存器DR (4) 数据计数器DC

4. 通道控制方式（CPU被动通知，CPU利用率更进一步提高）

   在DMA方式下，CPU每发出一条I/O指令只能去读（写）一个连续的数据块，当一次需要去读多个离散的数据块并分别送入不同的内存区域时，则需进行多次中断处理。I/O通道方式把CPU的干预由一个数据块减少为一组数据块，并可以实现CPU、通道、I/O设备三者的并行工作，更有效地提高了系统的资源利用率。

I/O方式	控制部件	I/O数据传输	CPU对I/O干预的数据单位
轮询程序I/O方式	CPU	内存←→CPU←→设备/设备控制器	全程干预
中断驱动I/O方式	CPU中断控制器	内存←→CPU←→设备/设备控制器	字（节）
直接存储器访问方式（DMA）	DMA控制器	内存←→设备/设备控制器	数据块
I/O通道方式	I/O通道	内存←→设备/设备控制器	一组数据块

设备驱动程序

1. 将接收到的抽象要求转换为具体要求。
2. 检查I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态传递参数，设置设备的工作方式。
3. 发出I/O命令，启动I/O设备，完成I/O操作。
4. 及时响应由控制器或通道发来的I/O请求并进行处理。
5. 对设置有通道的系统，驱动程序根据用户的I/O请求可自动构成通道程序。

引入缓冲区的目的

1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

2. 减少对CPU的中断频率， 放宽对CPU中断响应时间的限制

3. 解决数据粒度不匹配的问题

4. 提高CPU和I/O设备之间的并行性

SPOOLing系统

Spooling技术就是用于将一台独占设备改造成共享设备的一种技术

定义：在联机情况下实现的外围操作与CPU对数据的处理同时进行，称为假脱机操作，又叫Spooling。

SPOOLing系统组成:

1. 输入井和输出井（模拟两块磁盘）
2. 输入缓冲区和输出缓冲区（内存中开辟）
3. 输入进程和输出进程（模拟外围机操作）
4. 井管理进程(控制作业与磁盘井之间的信息交换)

SPOOLing系统特点:

1. 提高了I/O的速度
2. 将独占设备改造为共享设备
3. 实现了虚拟设备功能

设备的数据结构

• 系统设备表（SDT）：整个系统一张
• 设备控制表（DCT）：系统为每一个设备设置了一张用于记录设备状态的数据结构
• 控制器控制表（COCT）
• 通道控制表（CHCT）

逻辑设备名到物理设备名映射的实现

• 逻辑设备表（LUT）：为了实现设备的独立性，用于将逻辑设备名映射成物理设备名
• LUT的设置方式： ① 整个系统设置一张LUT ② 每个用户设置一张LUT