输入输出系统思维导图

计算机操作系统第六章输入输出系统，包含了缓冲区管理、设备驱动程序、中断机构和中断处理程序等内容，克收藏。

输入输出系统

• I/O系统的功能，模型和接口
  • 管理对象：I/O设备，设备控制器以及I/O通道 管理目标：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率和设备利用率 功能：设备分配与回收，设备处理，虚拟设备，设备独立性，缓存管理 I/O系统层次：（P180）
• I/O设备和设备控制器
  • I/O设备类型
    • 按使用特性分类
      • 存储设备
      • I/O设备
    • 按传输速率分类
      • 高速设备（磁盘，DVD光驱）
      • 中速设备（打印机，扫描仪）
      • 低速设备（键盘，鼠标器）
  • 设备控制器之间的接口
    • 数据信号线
      • 用于在设备和设备控制器之间传输信号
    • 控制信号线
      • 作为由设备控制器向I/O设备发送控制信号时的通路
    • 状态信号线
      • 用于传送指示设备当前状态的信号
  • 设备控制器
    • 设备控制器时计算机中的一个硬件实体，其主要功能时控制一个或者多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。 在微型机小型机中的控制器，常做成印刷电路卡形式，称为接口卡。 例如：声卡，显卡，网卡
    • 设备控制器的基本功能
    • 设备控制器的组成
  • I/O通道
    • I/O通道是控制输入输出过程的处理机 在大中型计算机中使用 连接和控制不同的外围设备包括字符设备和块设备 具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道I/O程序来控制I/O操作
• 中断机构和中断处理程序
  • 中断简介
    • 中断和陷入
      • 中断（Interrupt）：是指CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应（中断信号来自CPU外部）。CPU暂停正在执行的程序，保留CPU环境后，自动地转去执行该I/O设备的中断处理程序。执行完后，再回到断点，继续执行原来的程序。 陷入（Trap）：由CPU内部事件所引起的中断，例如进程在运算中发生了上溢或下溢，又如程序出错，如非法指令、地址越界，以及电源故障等。通常把这类中断称为内中断或陷入。
  • 中断处理程序
• 设备驱动程序
  • 设备驱动程序概述
    • （P192）
    • 设备驱动程序的功能
    • 设备驱动程序的特点
    • 设备处理方式
  • 设备驱动程序的处理过程
  • 对I/O设备的控制方式
    • I/O分类
      • I/O控制方式的发展宗旨： 尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O事务中解脱出来，以便更多地完成数据传输任务
      • 使用轮询的可编程I/O方式
        • 用于早期的计算机 cpu对于I/O干预的方式为：全程干预 cpu的高速性和I/O设备的低速性，造成cpu资源的极大浪费
      • 使用中断的可编程I/O方式
        • 以字（节）为单位 cpu对于 I/O设备的干预是以字（节）为单位，这种方式对于块设备数据传输效率很低
      • 直接存储器方式（DMA）
        • DMA技术：可以在存储器与输入输出设备间传输数据 设备控制：DMA控制器 DMA方式下，cpu对于I/O的干预是以数据块为单位的。 问题： cpu每发出一条I/O指令，只能读写一个数据块，不能处理复杂的数据传输任务
      • I/O通道方式
        • I/O通道是独立于cpu专门负责数据输入/输出传输工作的处理机 通道可以执行通道程序，完成复杂的数据传输任务 功能单一，与cpu共享内存 I/O通道方式下，cpu对于I/O干预是以一组数据块为单位进行的
• 与设备无关的I/O软件
  • 与设备无关软件的基本概念
    • 设备独立性（设备无关性），即应用程序独立作用与具体使用的物理设备。 为实现设备独立性，必须再在设备驱动程序上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或者设备独立性软件 为实现从逻辑设备名称和物理设备名称之间的映射，系统配置了一张逻辑设备表
    • 逻辑设备
    • 物理设备
  • 与设备无关的软件
  • 设备分配
    • 分配对象：设备，设备控制器和通道 数据传输通路
    • 设备分配中的数据结构
      • 设备控制表（DCT）
        • 系统为每个设备设置了一张用于记录本设备状态的DCT
      • 设备控制器表（COCT）
        • 系统为每一个控制器都设置了用于记录控制器情况的控制器控制表
      • 通道表（CHCT）
        • 系统为每一个控制器都设置了用于记录控制器情况的控制器控制表
      • 系统设备表（SDT）
        • 系统设备表是系统范围的数据结构，记录了系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目
    • 设备分配过程
      • 
• 用户层的I/O软件
  • 系统调用与库函数
    • 系统调用是OS内核为应用程序提供的服务例程 
  • 假脱机（Spooling）系统
    • 假脱机技术
      • SPOOLing技术：又称为假脱机技术，是一种虚拟设备技术 通过假脱机技术，可将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，这样允许多个用户共享一台物理I/O设备 当系统引入了多道程序技术后，利用一道程序来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速1/0设备上的数据传送到高速磁盘上。 另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。 此时外围操作与CPU对数据的处理是同时进行的。 我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作的技术称为SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operation On-Line)技术，或称为假脱机技术。 
    • SPOOLing的组成
      • 输入井和输出井
        • 这是在磁盘上开辟出来的两个存储区域。 输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于存放I/O设备输入的数据。 输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于存放用户程序的输出数据。 输入腧出井中的数据一般以文件的形式组织管理，我们把这些文件称为井文件。
      • 输入缓冲区和输出缓冲区
        • 这是在内存中开辟的两个缓冲区，用于缓和I/O设备和磁盘之间速度不匹配的矛盾。 输入缓冲区用于暂存由输入设备传送的数据，之后再传送到输入井。 输出缓冲区用于暂存从输出井传送的数据，之后再传送到输出设备。
      • 输入进程和输出进程
        • 输入进程用于模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入设备传送到输入缓冲区，再存放到输入井。 当CPU需要输入设备时，直接从输入井读入内存。 输出进程用于模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输入的数据从内存传送并存放到输出井。 待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区输出至输出设备上。
      • 井管理程序
        • 用于控制作业与磁盘井之间信息交换。
    • SPOOLing的特点
      • 1.提高了I/O的速度。缓解了外部设备和CPU速度不匹配的矛盾。 2. 将独占设备改造为共享设备。 3. 实现了虚拟设备功能。
    • 假脱机打印机系统
      • 磁盘缓冲区
        • 它是在磁盘上开辟的一个存储空间（输出井），用于暂存用户程序的输出数据，在该缓冲区中可以设置几个盘块队列，如空盘块队列、满盘块队列等。
      • 打印缓冲区
        • 用于缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾，设置在内存中，暂存从磁盘缓冲区送来的数据，以后再传送给打印设备进行打印。
      • 假脱机管理进程和假脱机打印进程
        • 由假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并把它放入假脱机文件队列中，由假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印。
• 缓冲区管理
  • 缓冲的引入
    • 引入缓冲的原因
      •