输入输出系统知识点总结

操作系统之输入输出系统知识点总结，归纳了I/O系统的功能、模型和接口，I/O设备和设备控制器，设备驱动程序等相关内容，知识全面详细，干货满满，赶紧收藏！

输入输出系统

• I/O系统的功能、模型和接口
  • I/O系统管理的主要对象是I/O设备和相应的设备控制器
  • 主要任务
    • 提高设备的利用率。为此，应尽量提高 CPU 与 I/O 设备之间的并 行操作程度，主要利用的技术有：中断技术、 DMA 技术、通道 技术、缓冲技术。
    • 为更高层的进程方便地使用 I/O 设备提供手段
  • 操作系统庞大复杂的原因
    • 资源多、杂，并发，均来自 I/O
    • 外设种类繁多，结构各异
    • 输入输出数据信号类型不同
    • 速度差异很大
  • I/O系统的基本功能
    • 隐藏物理设备的细节
    • 与设备的无关性
    • 提高处理机和I/O设备的利用率
    • 对I/O设备进行控制
    • 确保对设备的正确共享
      • 独占设备
      • 共享设备
    • 错误处理
  • I/O系统的层次结构和模型
    • I/O软件的层次结构
      • 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
    • I/O系统中各种模块之间的层次视图
      • I/O系统的上、下接口
        • I/O系统接口
        • 软件、硬件接口
      • I/O系统的分层
        • 中断处理程序
        • 设备驱动程序
        • 设备独立性软件
    • I/O系统接口
      • 块设备接口
        • 块设备
        • 隐藏了磁盘的二维结构
        • 将抽象命令映射为低层操作
      • 流设备接口
        • 字符设备
        • get和put操作
        • in-control指令
      • 网络通信接口
• I/O设备和设备控制器
  • I/O设备
    • I/O设备的类型
      • 按使用特性分类
      • 按传输速率分类
    • 设备与控制器之间的接口
      • 数据信号线
      • 控制信号线
      • 状态信号线
  • 设备控制器
    • 基本功能
      • 接受和识别命令
      • 数据交换
      • 表示和报告设备的状态
      • 地址识别
      • 数据缓冲区
      • 差错控制
    • 设备控制器的组成
      • 设备控制器与处理机的接口
      • 设备控制器与设备的接口
      • I/O逻辑
  • 内存映像
    • 利用特定的I/O指令
    • 内存映像I/O
  • I/O通道
    • I/O通道设备的引入
      • 目 的： 建 立独立的 I/O 操作 ( 组织 , 管理和结 束 ) ，使 由 CPU 处理的 I/O工作 转由 通道完成（ 解 放 CPU ，实现并行
      • 基本过程
        • CPU 向通道发出 I/O 指令 → 通道接 收 指令 → 从内 存 取 出通道程序处 理 I/O → 向 CPU 发出中断
    • 通道类型
      • 字节多路通道
      • 数组选择通道
      • 数组多路通道
    • ”瓶颈“问题
• 终端机构和中断处理程序
  • 中断简介
    • 中断和陷入
      • 中断
        • 对外部 I/O 设备发出的中断信号的响应
      • 陷入
        • 对紧急程度不同的中断处理方式
    • 中断向量表和中断优先级
      • 中断向量表
      • 中断优先级
    • 对中断源的处理方式
      • 屏蔽（禁止）中断
      • 嵌套终端
  • 中断处理程序
    • 中断处理程序的处理过程
      • 1. 测定 是 否 有 未响 应的中断信号
      • 2. 保护 被 中断进程的 CPU 环境 ： 将 处理机 状态字 PSW 、程序计数
      • 器 PC 中的 内容 、 CPU 的现 场 信息，保存在中断保 留 区 ( 栈 ) 中。
      • 3. 转 入 响 应的设备处理程序
      • 4. 中断处理
      • 5. 恢 复 CPU 现 场 并 退
• 设备驱动程序
  • 设备驱动程序概述
    • 设备驱动程序的功能
      • 接收由 I/O 进程发来的命令和参 数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求
      • 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
      • 发出 I/O 命令， 如果 设备 空闲 ，便立 即启 动 I/O 设备 去 完成指 定 的I/O 操作；如果 设备处于 忙碌状态 ， 则将 请求 者 的请求块 挂 在设备队列 上等
      • 及时响 应 由 控制器 或 通道发来的中断请求，并 根 据其中断类型调 用相应的中断处理程序进行处理
      • 对于设置有通道的计算机系统，驱动程序 还 应能 够根 据用户的I/O 请求，自动地构成通道程序
    • 设备驱动程序的特点
      • § 驱动程序主要是指在请求 I/O 的进程与设备控制器之间的一个通信和 转换 程序。 将 IO 请求 转换后 传送 给 控制器。
      • § 驱动程序与设备控制器和 I/O 设备的硬件特性 紧 密相关， 因 而 对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。
      • § 驱动程序与 I/O 设备 所采 用的 I/O 控制方式 紧 密相关。
      • § 由 于驱动程序与硬件 紧 密相关， 因 而 其中的一 部 分 必须 用汇编语言书写
    • 设备处理方式
      • 每一类设备设置一个进程， 专门 用于执行这类设备的 I/O 操作
      • 在 整 个系统中设置一个 I/O 进程， 专门 用于执行系统中 所 有各类设备的 I/O 操作。 由 于现 代 计算机系统设备 十 分复杂， I/O 负担 很重 ，因此， 又 可 把 I/O 进程分为输入进程和输出进程
      • 不设置 专门 的设备处理进程， 而只 为各类设备设置相应的设备处理程序 ( 模 块 ) ， 供用户进程 或 系统进程 调 用。
  • 设备驱动程序的处理过程
    • 将抽象要求转换为具体要求
    • 对服务请求进行校验
    • 检查设备的状态
    • 传送必要的参数
    • 启动I/O设备
    • 对I/O设备的控制方式
      • 使用轮询的可编程I/O方式
      • 使用中断的可编程I/O方式
      • 直接存储器访问方式
        • 接存储器访问方式的引入
        • DMA控制器的组成
          • • 主机与 DMA 控制器的接口
          • • DMA 控制器与块设备的接口
          • • I/O 控制
        • DMA工作过程
      • I/O通道控制方式
        • I/O通道控制方式的引入
• 与设备无关的I/O软件
  • 基本概念
    • 以物理设备名使用设备
    • 引入了逻辑设备名
    • 逻辑设备名称到物理设备名称的转换
  • 与设备无关的软件
    • 设备驱动程序的统一接口
    • 缓冲管理
    • 差错控制
      • 暂时性错误
      • 持久性错误
    • 对独立设备的分配与回收
    • 独立于设备的逻辑数据块
  • 设备分配
    • 设备分配中的数据结构·
      • 设备控制表DCT
      • 控制器控制表、通道控制表和系统设备表
    • 设备分配时应考虑的因素
      • 设备的固有属性
      • 设备分配算法
      • 设备分配中的安全性
        • 安全分配方式
        • 不安全分配方式
    • 独占设备的分配程序
      • 基本的设备分配程序
        • 分配设备
        • 分配控制器
        • 分配通道
        • 设备分配程序的改进
  • 逻辑设备名到物理设备名映射的表现
    • 逻辑设备表
    • 逻辑设别表的设置问题
• 用户层的I/O软件
  • 系统调用与库函数
  • 假脱机系统
    • SPOOLing的组成
      • 输入井和输出井
      • 输入缓冲区和输出缓冲区
    • SPOOLing系统特点
      • 提高了I/O的速度
      • 将独占设备改造为共享设备
      • 实现了虚拟设备的功能
  • 假脱机打印机系统
    • 磁盘缓冲区
    • 打印缓冲区
    • 假脱机管理进程和假脱机打印进程
    • 守护进程
• 缓冲区管理
  • 单缓冲区和双缓冲区
  • 环形缓冲区
  • 缓冲池
• 磁盘存储器的性能和调度
  • 磁盘性能简述
    • 数据的组织和格式
    • 磁盘的类型
      • 固定头磁盘
      • 移动头磁盘
    • 磁盘访问时间
  • 早期的磁盘调度算法
    • 先来先服务
    • 最短寻道时间优先
  • 基于扫描的磁盘调度算法
    • 扫描算法
    • 循环扫描算法
    • NStepSCAN和FSCAN调度算法