第五章输入输出系统

I/O 硬件基本原理

设备管理目标与功能

管理目标

提高效率：提高 I/O 的访问效率，匹配 CPU 与外设间的速度差异
方便使用：便于用户使用
方便控制：便于操作系统内部对设备的控制

管理功能

提供设备使用的用户接口：命令接口、编程接口
设备分配和释放：使用设备前需要分配资源
设备的访问与控制：并发访问、差错处理
I/O 缓冲与调度：提高 I/O 效率

设备控制器

组成：数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器

I/O 软件基本原理

I/O 控制方式

程序控制 I/O：轮询方式，由 CPU 发出忙等指令，直至操作完成才能继续执行
中断驱动：当 I/O 操作结束后，主动通知工作已完成，不需轮询
DMA：直接存储器访问，由一个控制器完成内存与设备间的传输工作。
通道：一个内存数据传输的处理器

轮询工作方式

进程提出访问请求
驱动程序检查并向设备发出控制命令
驱动持续轮询设备是否完成任务
完成后返回，进程继续工作

实现简单，但 CPU 利用率低，轮询浪费资源

中断驱动方式

进程提出访问请求
驱动程序发出控制命令，并记录目标设备，CPU 继续工作
设备完成操作后向 CPU 申请中断，把结果返回给上一步的记录处
数据送达，进程继续工作

DMA - 直接存储访问方式

CPU 设置 DMA 控制器中的数值，驱动 DMA 进行访问。CPU 只需要准备数值启动，但每个设备都要占用一个 DMA 控制器。

中断和 DMA 方式都使用中断，但中断控制方式数据传输由CPU 完成，DMA 中由 DMA 控制器完成，不需要 CPU 干预。
中断在每个数据传输结束后中断 CPU，而 DMA 在传送的一批数据结束后才中断 CPU

I/O 通道控制方式

I/O 通道是专门负责输入输出的处理器，执行通道程序，在内存中处理复杂的 I/O 控制，比 DMA 的 CPU 干预要少。

通道独立处理 I/O 的功能更强；同时通道比 DMA 控制的设备数/种类更多

缓冲技术

利用缓冲可以提高外设的利用率，减少中断发生的次数，提高 CPU、I/O 设备的并行性。

缓冲分类

单缓冲：CPU、外设轮流使用，等待对方处理
双缓冲：CPU 和外设工作互不干扰，要求两者速度相近
环形缓冲：允许处理速度相差大
缓冲池：分三个队列利用缓冲区

设备分配

由于外设资源有限，需要通过设备分配管理进程使用外设的过程

数据结构

设备控制表：描述单个设备的特性、状态、连接情况
控制器控制表：描述设备控制器占用的中断号、数据通道等的分配情况
通道控制表：描述单个通道的工作状态
系统设备表：系统内的所有资源状态，记录设备状态与设备控制表地址

设备分配分为单通路/多通路 I/O 系统的设备分配

步骤为：分配设备、分配设备控制器、分配通道

设备驱动共性

核心代码、核心接口、核心机制与服务、动态可加载、动态性

假脱机技术 - SPOOLing

SPOOLing 技术，即虚拟设备技术。系统利用一个 SPOOLing 进程完成对设备的 I/O 操作。

实际上，用户进程与 SPOOLing 程序进行数据交互，随后 SPOOLing 再和外设进行数据交换。虚拟 I/O 程序包含一个缓冲池：用户持续访问缓冲池，SPOOLing 对数据进行合适的处理。

SPOOLing 实现了一个虚拟 I/O 的端口，提高了实现 I/O 的速度
通过对物理设备的修饰，原本独享的设备也可以在 SPOOLing 中提供虚拟设备，按序共享使用

总结

在中断驱动方式中，CPU 以字节为单位干预；DMA 方式中以数据块为单位干预；I/O 通道方式中以一组数据块为单位干预