I/O管理概述¶

I/O 设备¶

输入输出（Input/Output, I/O）设备是操作系统设计中最凌乱最具挑战性的部分。

其包含各个领域的设备及与设备相关的应用程序，很难有一个通用的设计方案。

设备的分类¶

• 按信息交换的单位分类

  • 块设备: 信息交换以块为单位，如磁盘、光盘等。传输速率较高、可寻址，即可随机读/写。

  • 字符设备: 信息交换以字符为单位，如交互式终端机、打印机等。传输速率低，不可寻址，通常采用中断I/O方式。

• 按传输速率分类

  • 低速设备: 速率 \(\leq 1\text{KB/s}\)，如键盘、鼠标等。

  • 中速设备: \(1\text{KB/s} \thicksim 10\text{KB/s}\)，如激光打印机等。

  • 高速设备: \(100\text{KB/s} \thicksim 1000\text{MB/s}\)，如磁盘、光盘等。

• 按使用特性分类

  • 人机交互设备: 如键盘、鼠标等。

  • 存储设备: 如磁盘、光盘等。

  • 网络设备: 如网卡、调制解调器等。

• 按设备的共享属性分类

  • 独占设备: 同一时段只能由一个进程占用。低速设备一般是独占设备，如打印机。

  • 共享设备: 同一时段允许多个进程同时访问的设备。通过分时的方式实现共享，如磁盘。

  • 虚拟设备: 通过SPOOLing（假脱机）技术将独占设备改造为共享设备，将一个物理设备虚拟为多个逻辑设备，从而将设备同时分配给多个进程。

I/O接口¶

IO接口 | 博客园@AH20

I/O接口也称设备控制器，是CPU与I/O设备之间的桥梁，用于实现CPU与I/O设备之间的数据交换。

I/O接口收发来自CPU的I/O指令，并根据指令的内容控制I/O设备工作。使CPU能能从繁杂的设备控制事务中解脱出来，专注于其他任务。

接口组成¶

设备控制器主要由三个部分组成:

• 设备控制器与CPU的接口: 用于实现CPU与设备控制器之间的通信。有三条信号线:

  • 数据线: 用于传输读/写信息、控制信息、设备状态信息等

  • 地址线: 用于传输要访问I/O接口中的寄存器编号

  • 控制线: 用于传输读/写控制信号

• 设备控制器与设备的接口: 用于实现设备控制器与设备之间的通信。控制器中一个或多个设备接口，每个接口都可以传输数据、控制和状态三种类型的信号。

• I/O逻辑: 用于实现对设备的控制。

接口类型¶

• 按数据传送方式来看，I/O接口可分为并行接口和串行接口。

• 按主机访问I/O设备的控制方式来看，I/O接口可分为程序查询接口、中断接口、DMA接口等。

• 按功能选择的灵活性，可分为可编程接口（通过编程改变接口的功能）和不可编程接口。

I/O端口¶

I/O端口是设备控制器中一些可以直接被CPU访问的寄存器，用于存储设备的状态、控制信息、数据等。

I/O端口可以分为三类:

• 数据寄存器: 用于缓存从设备送来的输入数据，或从CPU送来的将要发送到设备的输出数据

• 状态寄存器: 保存设备的执行结果或状态信息，以供CPU读取

• 控制寄存器: 由CPU写入，以便启动命令或更改设备模式

由于本质上都是寄存器，所有想要能够被CPU访问，就必须对各个I/O端口进行编址。

编址方式分为统一编址和独立编址两种:

I/O控制方式¶

操作系统--I/O 控制方式 | 知乎@该用户已注册

操作系统I/O控制方式详解 | CSDN@水无垠ZZU

程序直接控制¶

CPU对I/O设备的控制采取轮询的I/O方式，也称程序轮询方式。

中断驱动控制¶

中断驱动方式的核心思想是允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而将CPU从轮询的I/O方式中解脱出来，向设备控制器发出一条I/O指令后可以继续做其他任务。

DMA控制¶

DMA（直接存储器存取）方式的核心思想是，在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，数据交换不经过CPU，从而彻底解放CPU。

DMA方式的特点:

1. 基本传送单位是数据块，不再是字节

2. 所传送的数据，是从设备直接送入内存的（或反之），不经过CPU

3. 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，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的

为了实现主机和控制器之间直接交换成块的数据，DMA控制器中需要包含以下组成部分:

1. 命令/状态寄存器（CR）: 暂存从CPU发来的I/O指令或设备的状态信息

2. 内存地址寄存器（MAR）: 在输入时，它存放将数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放从内存至设备的内存源地址

3. 数据寄存器（DR）: 暂存从设备送来的数据或从内存送来的数据

4. 数据计数器（DC）: 在输入时，它指出本次交换数据的总块数；在输出时，它指示剩余传送的字节数。即本次要传送的字（节）数

通道控制¶

I/O软件层次结构¶

操作系统对设备的管理：I/O软件的结构层次 | CSDN@yannan20190313

I/O应用程序接口¶

I/O接口的分类¶

字符设备接口¶

字符设备是指数据的存取和传输是以字符为单位的设备。例如键盘、打印机等。其基本特征是是传输速率较低、不可寻址，且在输入输出时通常采用中断驱动方式。

由于不可寻址，字符设备采取顺序存取方式:

• 通常是为字符设备建立一个字符缓冲区（队列），设备的I/O字符流顺序地进入缓冲区，或从缓冲区顺序地取出，送给设备。

• 用户程序获取或输出字符的方法是采用 get() 和 put() 操作:

  • get() 操作: 从缓冲区中取出一个字符（到内存），并返回给调用者

  • put() 操作: 将一个字符（从内存）输出到缓冲区网络

• 因字符设备的类型非常多，且差异甚大，为了以统一的方式来处理它们，通常在流设备接口中提供了一种通用的 in-control 指令，在该指令中包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能

字符设备都属于独占设备，为此接口还需要提供打开与关闭操作，以实现互斥共享。

块设备接口¶

块设备是指数据的存取和传输是以数据块为单位的设备。例如磁盘、光盘等。其基本特征是是传输速率较高、可寻址。

磁盘设备的I/O常采用DMA方式。

网络设备接口¶

现代操作系统提供的网络I/O接口是网络套接字（socket）接口，套接字接口的系统调用使应用程序创建的本地套接字连接到远程应用程序创建的套接字，通过此连接发送和接受数据。

阻塞I/O和非阻塞I/O¶

• 阻塞I/O是指用户进程调用I/O操作时，进程会被阻塞，并移入阻塞队列，直到I/O操作完成才会被唤醒，移入就绪队列。大多数操作系统提供的I/O接口都是采用阻塞I/O。

  • 优点: 操作简单，实现简单，适合并发量小的应用

  • 缺点: I/O执行阶段进程会一直阻塞下去

• 非阻塞I/O是指用户进程调用I/O操作时，不阻塞该进程，可以继续完成其他任务，但进程需要不断询问I/O操作是否完成。当I/O操作完成时，系统将数据从内核复制到用户空间，进程继续处理数据。

  • 优点: 进程在等待I/O期间不会被阻塞，适合并发量大的应用

  • 缺点: 轮询方式询问I/O结果，会占用CPU时间