操作系统-Part5——I/O 管理

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I/O 管理概述

I/O 设备的基本概念和分类

UNIX 系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。
- Write 操作：向外部设备写出数据
- Read 操作：从外部设备读入数据
I/O 设备的分类
- 按使用特性
  - 人机交互类外设
  - 存储设备
  - 网络通信设备
- 按传输速率分类
  - 低速设备（鼠标、键盘）
  - 中速设备（激光打印机）
  - 高速设备（磁盘）
- 按信息交换的单位分类
  - 块设备（磁盘）
    - 传输速率较高，可寻址
  - 字符设备（鼠标、键盘）
    - 传输速率较慢，不可寻址
    - 常采用中断驱动方式

I/O 控制器

I/O 设备的组成
- 机械部件
  - 主要用来执行具体 I/O 操作。
- 电子部件
  - 通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
  - 包括 I/O 控制器（设备控制器）
I/O 控制器的功能：
- 接受和识别 CPU 的命令
  - CPU发来的 read/write 命令，I/O 控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数。
- 想 CPU 报告设备的状态
  - I/O 控制器中会有相应的状态寄存器，用于记录 I/O 设备的当前状态。
- 数据交换
  - I/O 控制器中设置相应的数据寄存器。用于暂存输入输出时的数据。
- 地址识别
  - 为了区分设备控制器中的各个寄存器，也需要给各个寄存器设置特定的地址
I/O 控制器的组成
- 一个 I/O 控制器可能会对应多个设备；
- 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个（每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备），且这些寄存器都要有相应的地址，才能方便CPU操作。
  - 有的计算机会让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，即寄存器独立编址。
内存映像 I/O v.s. 寄存器独立编址

I/O 控制方式

程序直接控制方式
- 完成一次读/写操作的流程
- CPU 干预的频率
  - 很频繁，I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入，并且在等待 I/O 完成的过程中 CPU 需要不断地轮询检查。
- 数据传送的单位
  - 每次读/写一个字
- 数据的流向
  - 读操作（数据输入）：I/O 设备 -> CPU -> 内存
  - 写操作（数据输出）：内存 -> CPU -> I/O 设备
  - 每个字的读/写都需要 CPU 的帮助
- 主要缺点和主要优点
  - 优点：实现简单。
  - 缺点：CPU 和 I/O 设备只能串行工作，CPU 需要一直轮询检查，长期处于忙等状态，CPU 利用率低。
中断驱动方式
- 完成一次读/写操作的流程
  - 引入中断机制。将等待 I/O 的进程阻塞，在每个指令周期的末尾检查中断；
- CPU 干预的频率
  - 每次 I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入。
  - 而等待 I/O 完成的过程中 CPU 可以切换到别的进程执行。
- 数据传送的单位
  - 每次读/写一个字
- 数据的流向
  - 读操作（数据输入）：I/O 设备 -> CPU -> 内存
  - 写操作（数据输出）：内存 -> CPU -> I/O 设备
- 主要缺点和主要优点
  - 优点：通过 I/O 控制器主动发出中断信号报告 I/O 已完成，CPU 不再需要不停地轮询。CPU 和 I/O 设备并行工作，CPU 利用率明显提升。
  - 缺点：每个字在 I/O 设备与内存之间的传输，都需要经过 CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的 CPU 时间。
DMA（ Direct Memory Access，直接存储器存取）方式
- DMA 控制器
  - DR（Data Register，数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。
  - MAR（Memory Address Register，内存地址寄存器）：在输入时，MAR 表示数据应放到内存中的什么位置；输出时 MAR 表示要输出的数据放在内存中的什么位置。
  - DC（Data Counter，数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数。
  - CR（Command Register，命令/状态寄存器）：用于存放 CPU 发来的 I/O 命令，或设备的状态信息。
- 完成一次读/写操作的流程
  - DMA 读写完之后，向 CPU 发出中断信号
- CPU 干预的频率
  - 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。
- 数据传送的单位
  - 每次读/写一个或多个块
  - 注意：每次读写的只能是连续的多个块，且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的。
- 数据的流向（不再需要经过CPU）
  - 读操作（数据输入）：I/O 设备 -> 内存
  - 写操作（数据输出）：内存 -> I/O 设备
- 主要缺点和主要优点
  - 优点：
    - 数据传输单位为“块”，而不是“字”。
    - 数据在 I/O 与内存之间的传输不需要经过 CPU，CPU 介入频率降低，数据传输效率增加。
    - CPU 和 I/O 设备的并行性得到提升。
  - 缺点：
    - CPU 每发出一条 I/O 指令，只能读/写一个或多个连续（而不能离散）的数据块。
    - 如果要读/写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域时，CPU 要分别发出多条 I/O 指令，进行多次中断处理才能完成。
通道控制方式
- 通道（弱化 CPU）可以识别并执行一系列通道指令
  - CPU 向通道发出 I/O 指令。指明通道程序在内存中的位置，并指明要操作的是哪个 I/O 设备。
  - 通道执行内存中的通道程序（其中指明了要读入/写出多少数据，读/写的数据应放在内存的位置等信息，相当于任务清单）
  - 通道执行完规定的任务后，向 CPU 发出中断信号
- 完成一次读/写操作的流程
- CPU 干预的频率
  - 极低，通道会根据 CPU 的指示执行相应的通道程序，只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号，请求 CPU 干预。
- 数据传送的单位
  - 每次读/写一组数据块
- 数据的流向（在通道的控制下进行）
  - 读操作（数据输入）：I/O 设备 -> 内存
  - 写操作（数据输出）：内存 -> I/O 设备
- 主要缺点和主要优点
  - 缺点：实现复杂，需要专门的通道硬件支持
  - 优点：CPU、通道、I/O 设备可并行工作，资源利用率很高。

I/O 软件层次结构

用户层软件
- 用户层软件实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与 I/O 操作相关的库函数对设备进行操作
- 用户层软件将用户请求翻译成格式化的 I/O 请求，并通过系统调用请求操作系统内核的服务
设备独立性软件
- 设备独立性软件，又称设备无关性软件。与设备的硬件特性无关的功能几乎都在这一层实现。
- 主要实现的功能：
  - 向上层提供统一的调用接口（如 read/write 系统调用）
  - 设备的保护（访问权限）
  - 差错处理
  - 设备的分配与回收（临界资源）
  - 数据缓冲区管理（屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异）
  - 建立逻辑设备表（LUT，Logical UnitTable），包含逻辑设备名到物理设备名的映射关系、根据设备类型选择调用相应的驱动程序。
    - 操作系统系统可以采用两种方式管理逻辑设备表（LUT）：
      1. 整个系统设置一张 LUT，意味着所有用户不能使用相同的逻辑设备名，因此只适用于单用户操作系统。
      2. 每个用户设置一张 LUT，各个用户使用的逻辑设备名可以重复，适用于多用户操作系统。系统在用户登录时为其建立一个用户管理进程，而 LUT 就存放在用户管理进程的 PCB 中。
设备驱动程序
- 负责对硬件设备的具体控制，将上层发出的一系列命令转化成特定（不同厂家）设备的命令。
- 包括设置设备寄存器、检查设备状态等
- 驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。
中断处理程序
- 当 I/O 任务完成时，I/O 控制器会发送一个中断信号，系统会根据中断信号类型找到相应的中断处理程序并执行。
最常考的是设备独立性软件、设备驱动程序这两层。
- 直接涉及到硬件具体细节、且与中断无关的操作肯定是在设备驱动程序层完成的
- 没有涉及硬件的、对各种设备都需要进行的管理工作都是在设备独立性软件层完成的

I/O 核心子系统

I/O 子系统概述

考研中，需要重点理解和掌握的功能是：
- I/O 调度
  - 类比磁盘调度
  - 先来先服务算法、优先级算法、短作业优先等
- 设备保护
  - 类比文件保护功能
  - 设备被看做是一种特殊的文件，每个设备也会有对应的 FCB。
  - 当用户请求访问某个设备时，系统根据 FCB 中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限，以此实现“设备保护”的功能。
- 假脱机技术（SPOOLing技术）
- 设备分配与回收
- 缓冲区管理（即缓冲与高速缓存）

假脱机技术

脱机技术 —— 脱离主机的控制进行的输入/输出操作。
- 缓解 CPU 与慢速 I/O 设备的速度矛盾。
- 实现 I/O 设备与 CPU 的并行。
假脱机技术（SPOOLing 技术）
- 输入井：模拟脱机输入时的磁带，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带，用于收容用户进程输出的数据
- 在磁盘上开辟出两个存储区域 —— 输入井和输出井。
- 输入进程：模拟脱机输入时的外围控制机
- 输出进程：模拟脱机输出时的外围控制机
- 要实现 SPOOLing 技术，必须要有多道程序技术的支持。系统会建立输入进程和输出进程。
- 输入缓冲区：用于暂存从输入设备输入的数据，之后再转存到输入井中
- 输出缓冲区：用于暂存从输出井送来的数据，之后再传送到输出设备上
- 输入缓冲区和输出缓冲区是在内存中的缓冲区
共享打印机
- SPOOLing 技术可以把一台物理设备虚拟成逻辑上的多台设备，可以将独占式设备改造成共享设备。
  1. 在磁盘输出井中为进程申请一个空闲缓冲区（这个缓冲区是在磁盘上的），并将要打印的数据送入其中；
  2. 为用户进程申请一张空白的打印请求表，并将用户的打印请求填入表中（用来说明用户的打印数据存放位置等信息），再将该表挂到假脱机文件队列上。
  3. 当打印机空闲时，输出进程会从文件队列的队头取出一张打印请求表，并根据表中的要求将要打印的数据从输出井传送到输出缓冲区，再输出到打印机进行打印。

设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素
- 设备的固有属性
  - 独占设备：一个时段只能分配给一个进程，只允许各个进程串行使用（如打印机）
  - 共享设备：可同时分配给多个进程使用（如磁盘），各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用。
  - 虚拟设备：采用 SPOOLing 技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用 SPOOLing 技术实现的共享打印机）
- 设备分配算法
  - 先来先服务
  - 优先级高者优先
  - 短任务优先
  - ……
- 设备分配中的安全性
  - 安全分配方式：为进程分配一个 I/O 设备后就将进程阻塞，本次 I/O 完成后才将进程唤醒。
    - 一个时段内每个进程只能使用一个设备
    - 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会死锁
    - 缺点：对于一个进程来说，CPU 和 I/O 设备只能串行工作
  - 不安全分配方式：进程发出 I/O 请求后，系统为其分配 I/O 设备，并且进程可继续执行，之后还可以发出新的 I/O 请求。只有某个 I/O 请求得不到满足时才将进程阻塞。
    - 一个进程可以同时使用多个设备
    - 优点：进程的计算任务和 I/O 任务可以并行处理
    - 缺点：有可能发生死锁（死锁避免、死锁的检测和解除）
静态分配与动态分配
- 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源
  - 破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁
- 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源
设备分配管理中的数据结构
- 设备、控制器、通道之间的关系：
  - 一个通道控制多个控制器，一个控制器控制多个设备
- 设备控制表（DCT）：系统为每个设备配置一张 DCT，用于记录设备情况
  - 系统会根据阻塞原因不同，将进程 PCB 挂到不同的阻塞队列中
- 控制器控制表（COCT）：每个设备控制器都会对应一张 COCT。操作系统根据 COCT 的信息对控制器进行操作和管理。
- 通道控制表（CHCT）：每个通道都会对应一张 CHCT。操作系统根据 CHCT 的信息对通道进行操作和管理。
- 系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目。
设备分配的步骤
- 步骤：
  1. 根据进程请求的物理设备名查找 SDT（注：物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数）
  2. 根据 SDT 找到 DCT，若设备忙碌则将进程 PCB 挂到设备等待队列中，不忙碌则将设备分配给进程。
  3. 根据 DCT 找到 COCT，若控制器忙碌则将进程 PCB 挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
  4. 根据 COCT 找到 CHCT，若通道忙碌则将进程 PCB 挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
- 注意：只有设备、控制器、通道三者都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后便可启动 I/O 设备进行数据传送。
- 缺点：
  - 用户编程时必须使用物理设备名，底层细节对用户不透明，不方便编程
  - 若换了一个物理设备，则程序无法运行
  - 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待
设备分配步骤的改进方法
- 改进方法：建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制，用户编程时只需提供逻辑设备名。
- 分配步骤
  1. 根据进程请求的逻辑设备名查找 SDT（注：用户编程时提供的逻辑设备名其实就是“设备类型”）
  2. 查找 SDT，找到用户进程指定类型的且空闲的设备，将其及其 DCT 分配给该进程。
    - 操作系统在逻辑设备表（LUT）中新增一个表项，记录该次调用的逻辑设备名和物理设备名的映射关系，
    - 在这一步，操作系统动态分配物理设备，并返回相应 DCT。
    - 之后用户进程再次通过相同的逻辑设备名，操作系统通过 LUT 表的记录也可以找到对应的物理设备。
  3. 根据 DCT 找到 COCT，若控制器忙碌则将进程 PCB 挂到控制器等待队列中，不忙碌则将控制器分配给进程。
  4. 根据 COCT 找到 CHCT，若通道忙碌则将进程 PCB 挂到通道等待队列中，不忙碌则将通道分配给进程。
- 逻辑设备表的设置问题：
  - 整个系统只有一张 LUT：各用户所用的逻辑设备名不允许重复，适用于单用户操作系统
  - 每个用户一张 LUT：不同用户的逻辑设备名可重复，适用于多用户操作系统

缓冲区管理

缓冲区的定义
- 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。
  - 使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如，存储器管理中所用的联想寄存器，快表）
  - 一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区，“设备独立性软件”的缓冲区管理就是要组织管理好内存中的缓冲区
缓冲区的作用
- 缓和 CPU 与 I/O 设备之间速度不匹配的矛盾
- 减少对 CPU 的中断频率，放宽对 CPU 中断响应时间的限制
  - 字符型设备，每输出完一个字符就要向 CPU 发送一次中断信号
- 解决数据粒度不匹配的问题
  - 输出进程每次可以生成一块数据，但 I/O 设备每次只能输出一个字符
- 提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性
单缓冲
- 单缓冲策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区。
- 注意：
  - 当缓冲区数据非空时，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以后，才能从缓冲区把数据传出。
  - 一般来说，一个缓冲区的大小就是一个块，用户进程的工作区大小与缓冲区相同
- 技巧：假定一个初始状态，分析下次到达相同状态需要多少时间，这就是处理一块数据平均所需时间。
  - 采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 Max(C, T)+M。
双缓冲
- 双缓冲策略，操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区
- 当 M+C>T，则很难有回到初始状态，但是通过图中观察可发现，周期为 M+C。
  - **采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时为 Max (T, C+M)**。
使用单/双缓冲在通信时的区别
- 两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接受。
  - 若两个相互通信的机器只设置单缓冲区，在任一时刻只能实现数据的单向传输。
  - 若两个相互通信的机器设置双缓冲区，则同一时刻可以实现双向的数据传输。
  - 管道通信中的“管道”其实就是缓冲区。要实现数据的双向传输，必须设置两个管道
  - ==这里与part2说法冲突todo==
循环缓冲
- 将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。
缓冲池
- 缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列（输入队列）、装满输出数据的缓冲队列（输出队列）。
- 另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区（hin）、用于提取输入数据的工作缓冲区（sin）、用于收容输出数据的工作缓冲区（hout）、用于提取输出数据的工作缓冲区（sout）