操作系统-I/O管理

一、I/O管理概述

1.按信息交换的单位分类

（1）块设备：信息的存取以数据块为单位，属于有结构设备。块设备传输速率较高、可寻址，即对它可以随机地读/写任一块。

（2）字符设备：用于数据输入/输出的设备为字符设备，其传输的基本单位是字符。字符设备传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常采用中断驱动方式。

2.I/O控制方式

（1）程序直接控制方式

CPU和I/O设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低。

（2）中断驱动方式

允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务。

数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU。

数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的。

（3）DMA（直接存储器存取）方式

在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。

仅在传送的开始和结束时需要CPU的干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。

每个DMA控制器对应一台设备与内存传递数据。

（4）通道控制方式

I/O通道是指专门负责输入/输出的处理机。

可以实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。

通道指令的类型单一，没有自己的内存，通道是与CPU共享内存的。

一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换。

3.I/O子系统的层次结构

（最上层）用户层I/O软件—设备独立性软件—设备驱动程序—中断处理程序—硬件（最下层）

4.使用逻辑设备名的好处：①增加设备分配的灵活性；②易于实现I/O重定向。

5.设备独立性软件的主要功能：

执行所有设备的公有操作和向用户层（或文件层）提供统一接口。

6.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，寄存器独立编制。

7.设备控制器的主要功能：

（1）接受和识别CPU或通道发来的命令；

（2）实现数据交换；

（3）发现和记录设备及自身的状态信息；

（4）设备地址识别。

8.设备控制器组成：

（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。

（2）设备控制器与设备的接口。每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。

（3）I/O控制逻辑。用于实现对设备的控制。

二、I/O核心子系统

1.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。

2.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。

3.设备分配的安全性

（1）安全分配方式：每当进程发出I/O请求后便进入阻塞态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。

优点：设备分配安全；

缺点：对同一进程而言，CPU和I/O设备是串行工作的。

（2）不安全分配方式：仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞态。

优点：一个进程可同时操作多个设备，从而迅速推进进程；

缺点：设备分配可能产生死锁。