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I/O管理主要通過對設備狀態(tài)跟蹤對設備存取數(shù)據(jù)铸屉、設備分配瘸味、及設備控制進行管理。

（一）I/O管理概述

1. I/O設備分類

印象中的I/O設備可能有挤庇，鍵鼠钞速、打印機，但它們只是I/O設備中的一部分嫡秕，在計算機中的磁盤渴语、光盤以及用于網(wǎng)絡連接的各類接口同樣也是屬于I/O設備。

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2. I/O控制方式

外部設備輸入輸出的數(shù)據(jù)都需要存放在內(nèi)存上昆咽，再傳遞給用戶驾凶，而這個過程需要CPU的參與牙甫，根據(jù)CPU參與程度不同，可以分為4種控制方式：程序直接控制方式调违、中斷驅(qū)動方式窟哺、DMA方式和通道方式。

• 程序直接控制方式：計算機從外設讀取數(shù)據(jù)到寄存器技肩，每次只讀一個字的數(shù)據(jù)且轨，對于每個字節(jié)，CPU都要進行循環(huán)檢查虚婿，直到確定該字已經(jīng)讀到I/O控制器的數(shù)據(jù)寄存器中旋奢。

  
  
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• 中斷驅(qū)動方式：在程序直接控制方式中，CPU循環(huán)檢查數(shù)據(jù)是否讀入然痊，而中斷驅(qū)動方式中至朗，將CPU循環(huán)檢查工作交給I/O控制器完成，CPU只需給I/O控制發(fā)送讀命令剧浸，就可以去執(zhí)行其他指令爽丹，由I/O控制器自行將數(shù)據(jù)讀到數(shù)據(jù)寄存器中，完成讀取任務后給CPU發(fā)出中斷指令辛蚊。當CPU接收到中斷指令粤蝎，便保存當前正在運行程序的上下文，去執(zhí)行該中斷袋马，將I/O控制器中的數(shù)據(jù)送到寄存器初澎，并存入到主存。

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• DMA方式：中斷驅(qū)動方式每完成數(shù)據(jù)讀取工作虑凛，都要打斷CPU碑宴，由CPU將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞔妗MA方式則優(yōu)化這一過程桑谍，直接由DMA控制器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鞔嬷腥パ幽PU只在傳輸數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時才進行干預。

  
  
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工作流程：

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• 通道方式：DMA方式在工作流程上大幅度釋放CPU锣披，但是這種方式還需要CPU來控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊大小贞间、傳輸?shù)膬?nèi)存位置，為了將CPU從這些繁瑣的工作中釋放處理雹仿，有了通道方式疗锐。I/O通道是專門負責輸入輸出的處理機屹逛，當CPU要完成一組讀寫操作時，只需要給I/O通道發(fā)出一條I/O指令敞映，給出要執(zhí)行的通道程序的首地址和要訪問的I/O設備小染，通道接收到該指令后钮呀，執(zhí)行完I/O任務，也就是完成數(shù)據(jù)傳輸，才給CPU發(fā)送中斷請求凡蚜。

3. I/O層次結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)從用戶到設備并不是一步完成，中間需要通過幾層結(jié)構(gòu)吭从，這樣不僅可以保持用戶應用獨立性朝蜘，也有方便屏蔽一些系統(tǒng)內(nèi)部細節(jié)。

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設備控制器的工作流程：

1. 用戶讀取某設備內(nèi)容 -> 使用操作系統(tǒng)提供的read命令接口 -> 解析read命令 （應用軟件和設備獨立軟件）
2. 根據(jù)設備不同影锈，將read命令解析成不同的指令 （設備驅(qū)動）
3. 命令解析完畢 -> 發(fā)出中斷 -> 設備控制器執(zhí)行read命令 （中斷處理程序）
4. 硬件設備上的控制器根據(jù)上層命令操作硬件設備

（二）I/O核心子系統(tǒng)

由于常用設備繁多，需要為不同設備提供不同的控制方法蝉绷，這往往會增加I/O管理的工作量鸭廷，因此將一些公用操作或常用操作組成一個子系統(tǒng)，這些操作有I/O調(diào)度熔吗、緩沖與高速緩存辆床、設備分配與回收、假脫機及設備保護和差錯控制等桅狠。

1. I/O調(diào)度

當有多個設備需要對計算機進行讀寫數(shù)據(jù)時讼载，需要為這些設備提供請求隊列實現(xiàn)調(diào)度，設備不同中跌，使用的調(diào)度實現(xiàn)的方式略有不同咨堤，常見的調(diào)度算法是的磁盤調(diào)度算法。

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2. 緩沖區(qū)

I/O讀寫速度遠慢于CPU處理速度漩符，為了解決速度不匹配的問題一喘，采用緩存方法。
常見的緩存是磁盤高速緩存嗜暴，是磁盤與內(nèi)存之間的緩存區(qū)域凸克，它位于內(nèi)存，要么從內(nèi)存開辟一塊單獨的固定區(qū)域作為緩沖闷沥，要么是把沒有利用到的內(nèi)存作為一個緩沖池萎战。
設備緩存區(qū)的緩沖區(qū)也位于內(nèi)存區(qū)域，它的特點是：當緩存區(qū)的數(shù)據(jù)非空時舆逃，不能往緩沖區(qū)內(nèi)沖入數(shù)據(jù)蚂维，只能從緩沖區(qū)內(nèi)把數(shù)據(jù)傳出；當緩沖區(qū)為空時路狮，可以往緩沖區(qū)沖入數(shù)據(jù)鸟雏，但只能在緩存區(qū)充滿后，才能從緩沖區(qū)把數(shù)據(jù)傳出览祖。

根據(jù)緩沖區(qū)個數(shù)不同可以分為：單緩沖孝鹊、雙緩沖、循環(huán)緩沖和緩沖池展蒂。

2.1 單緩沖

單緩沖的緩沖區(qū)域位于設備與處理機之間又活，當設備與處理機交換數(shù)據(jù)時苔咪，先把被交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的設備或者處理機再從緩沖區(qū)內(nèi)取數(shù)據(jù)柳骄，先輸入再輸出团赏。

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輸入時間（T），處理數(shù)據(jù)時間（C）耐薯，傳送數(shù)據(jù)時間（M）

1. 當T>C時舔清，單緩沖區(qū)處理每塊數(shù)據(jù)的時間為M+T；
2. 當T<C時曲初，單緩沖區(qū)處理每塊數(shù)據(jù)的時間為M+C体谒；

2.2 雙緩沖

單緩沖方式存在等待方，為了提供讀取數(shù)據(jù)效率臼婆，采用雙緩沖抒痒，兩個緩沖區(qū)域可以并行工作，當其中一個被處理機讀取數(shù)據(jù)時颁褂，另一個由設備向緩沖區(qū)輸入數(shù)據(jù)故响。

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輸入時間（T），處理數(shù)據(jù)時間（C）颁独，傳送數(shù)據(jù)時間（M）
緩沖區(qū)處理一塊數(shù)據(jù)的用時為：max(C+M, T)

2.3 循環(huán)緩沖

循環(huán)緩沖是將緩存區(qū)域劃分為大小相當?shù)亩鄠€緩沖區(qū)域塊彩届，每個緩沖區(qū)域塊都有指向下一個緩沖區(qū)塊的指針，此外還有in和out兩個指針分別用于數(shù)據(jù)輸入和輸出誓酒。
每次輸入時使用in指針向可以輸入數(shù)據(jù)的第一個空緩存區(qū)輸入惨缆，而要讀取數(shù)據(jù)時，使用out指針從第一個滿的緩沖區(qū)提取數(shù)據(jù)丰捷。

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2.4 緩沖池

緩存池里有多個緩存區(qū)坯墨，這些緩存區(qū)根據(jù)它們的使用情況分為了三個隊列：空緩沖隊列、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩存隊列（輸入隊列）和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖隊列（輸出隊列）病往。

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1. 輸入數(shù)據(jù)時：空緩存隊列的隊首摘下空緩沖區(qū) -> 在hin區(qū)輸入數(shù)據(jù) -> 輸滿后掛到輸入隊列隊尾捣染；
2. 計算進程輸入數(shù)據(jù)時：從輸入隊列提取緩沖區(qū)塊 -> 在sin區(qū)提取數(shù)據(jù) -> 數(shù)據(jù)用完后掛入空緩存隊列；
3. 計算進程輸出數(shù)據(jù)時：空緩存隊列的隊首摘下空緩沖區(qū) -> 在hout區(qū)輸入數(shù)據(jù) -> 輸滿后掛到輸出隊列隊尾停巷；
4. 輸出數(shù)據(jù)時：從輸出隊列提取數(shù)據(jù) -> 在sout區(qū)提取數(shù)據(jù) ->數(shù)據(jù)用完后掛入空緩存隊列耍攘；

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3. 設備分配

CPU根據(jù)用戶的I/O請求分配設備，并且盡可能將設備忙碌畔勤，又要避免因設備分配不合理造成進程死鎖蕾各。因此使用記錄表記錄每個設備分配情況，并且制定相應的分配策略庆揪，保證設備能夠安全使用避免死鎖發(fā)生式曲。

3.1 設備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

進程管理使用PCB管理進程，文件管理使用FCB管理文，同樣設備管理也需要建立類似的表管理設備吝羞，但是由于設備讀寫涉及到操作系統(tǒng)兰伤、控制器和通道，因此需要建立多個表钧排，依次有系統(tǒng)設備表（SDT）敦腔、設備控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）和通道控制表（CHCT）恨溜。

• SDT：整個系統(tǒng)只有一張符衔，用于記錄系統(tǒng)中全部設備的情況，是系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)糟袁；
• DCT：每個設備一張判族，記錄本設備的情況；
• COCT：每個控制器一張系吭，記錄本控制器的情況五嫂；
• CHCT：每個通道一張颗品，記錄通道情況肯尺。

它們之間通過如下順序依次進行訪問：
SDT -> DCT -> COCT -> CHCT

設備分配總結(jié)起來就是：設備分配過三關：設備可用、控制器可用和通道可用

3.2 設備分配的策略

設備分配方式有靜態(tài)分配和動態(tài)分配兩種躯枢。

• 靜態(tài)分配：主要用于獨占設備的分配则吟，如打印機。由系統(tǒng)一次性分配該作業(yè)需要的全部設備锄蹂、控制器等氓仲，一旦分配，將一直被該作業(yè)占用得糜，直到作業(yè)完成敬扛。

• 動態(tài)分配：在進程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進行。

3.3 設備分配的安全性

設備分配的安全性指的是是否會發(fā)生死鎖朝抖。

• 安全分配方式：當進程發(fā)出I/O請求后進入阻塞狀態(tài)啥箭，直到完成才被喚醒。這種工作方式是CPU與I/O設備串行工作治宣，預防了死鎖的發(fā)生急侥。

• 不安全分配方式：進程在執(zhí)行過程中根據(jù)需求發(fā)出I/O請求。也意味著一個進程可以同時操作多個設備侮邀，提高工作效率坏怪，但容易造成死鎖。

3.4 邏輯設備名到物理設備名的映射

用戶使用設備時通過使用邏輯設備名來調(diào)用物理設備绊茧，因此建立一張表來查找從邏輯設備名到物理設備名的映射——邏輯設備表（LUT）铝宵。

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4. 虛擬設備技術(shù)

除了使用緩存區(qū)來解決CPU與I/O設備速度不匹配問題外，可以使用虛擬設備技術(shù)（SPOOLing）华畏，主要是利用外圍控制機捉超，將低速I/O設備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上胧卤。常用于共享打印機。

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