IO管理

整体梳理了计算机I/O管理的知识结构，探索了内部各小点之间的组织关系，方便同学们理解计算机I/O管理的方式和处理I/O请求的过程<本思维导图形状类似于转轮pistol，有没有发现>？？

I/O管理

• I/O设备分类
  • 使用特性
    • 人机交互类外设
    • 存储设备
    • 网络通信设备
  • 传输速率
    • 低速设备
    • 中速设备
    • 高速设备
  • 信息交换的单位
    • 块设备
      • 磁盘
      • 传输效率高、可寻址
    • 字符设备
      • 打印机、不可寻址
• I/O控制方式
  • 目的
    • 控制（设备、内存、处理机）之间的数据传送
  • 方式
    • 程序直接控制方式
    • 中断驱动方式
    • DMA方式
    • 通道控制方式
• I/O系统层级结构
  • 硬件
    • 电子部件（设备控制器/I/O控制器）
      • 硬件组成
        • 数据寄存器（若干）
        • 状态寄存器（若干）
        • 控制寄存器（若干）
          • 接受CPU指令的相关参数
        • CPU与控制器的接口
        • I/O逻辑
        • 控制器与设备的接口（若干）
      • 需要注意的地方
        • 该硬件中存在若干寄存器，所以在CPU控制改硬件前，需要对各个寄存器进行编址
        • CPU通过地址线对I/O逻辑提供“地址”，来指明要读写哪一个寄存器
        • 编址方式
          • 内存印象I/O
            • 占用内存中的一部分 与内存统一编址
          • 寄存器独立编址
        • 地址识别
    • 机械部件（设备）
  • 1.用户I/O软件
    • 与用户的交互接口
    • 为用户提供（I/O操作相关的库函数命令）printf（）等
    • 将用户的请求翻译成格式化的命令（read、write等）
    • 而后通过系统调用，请求系统内核服务
  • 2.设备独立性软件
    • 向用户I/O软件层提供规范的命令接口（read、write等）
    • 差错管理
    • 设备分配与回收
      • 设备的三种使用方式
        • 独占式使用设备
        • 分时式共享使用设备
        • 虚拟设备
          • SPOOLing技术
            • 将独占设备虚拟为可共享设备
            • 用软件方式模拟脱机技术
            • 磁盘中
              • 输入井
              • 输出井
              • 模拟脱机输入时的磁带、磁盘等
                • 负责暂存需要输入/输出 的数据
            • 内存中
              • 缓冲区
                • 输入缓冲区
                • 输出缓冲区
                • 输入设备、输出设备，与输入井、输出井之间的数据中转站
              • 进程
                • 输入进程
                  • 负责将用户输入的数据，从设备通过缓冲区送到输入井，当CPU需要该数据时，直接将该数据从输入井中取出。
                • 输出进程
                  • 负责将用户需要输出的数据，先从内存送到输出井，当输出设备空闲时，直接从输出井中取出数据
                • 模拟脱机技术中，输入/输出时的外围控制机
      • 分配算法
        • 先来先服务
        • 优先级高优先等
      • 设备分配安全性
        • 安全分配
          • 进程发出I/O请求后就进入阻塞，直到I/O结束 ，设备利用效率低
        • 不安全分配
          • 进程在运行过程中可多次发出I/O请求，只有遇到I/O请求得不到满足时才进行阻塞
          • 可能出现进程死锁
            • 复习进程管理中的死锁相关知识
      • 设备分配管理中的数据结构
        • 设备控制表DCT
        • 控制器控制表COCT
        • 通道控制表CHCT
        • 系统设备表SDT
        • 关系
          • 1个设备对应1个DCT
          • 1个控制器对应1个COCT
          • 1个通道对应1个CHCT
          • 1个CHCT对应多个COCT
          • 系统只有1个SDT
      • 设备分配步骤
        • 用户通过逻辑设备名（在SDT中称为设备类型）来请求访问设备
        • 依次通过查找SDT为进程分配空闲设备-->找到设备对应的DCT（设备忙则加到DCT所指的等待队列）-->找到DCT中所指的COCT-->分配进程控制器（忙则加到COCT所指的等待队列）-->在COCT中找到对应CHCT-->分配通道（忙则加到CHCT所指的等待队列）
          • 在查找DCT过程中，系统对照用户提供的【逻辑设备名】找到该设备类型下空闲的设备，为其进行分配
        • 只有将设备、控制器、通道，三者都分配给对应的进程，才可以启动设备进行I/O操作
    • 逻辑设备名与物理设备名的映射
      • 逻辑设备表（LUT)
        • 系统分配设备时，系统同时在LUT中新增一个表项
        • 表项内容：【逻辑设备名（设备类型）；物理设备名；设备驱动程序入口地址】
        • 两种管理方式
          • 整个系统1张LUT
            • 各用户只能用不同的设备名
          • 每个用户1张LUT
            • 各用户可以使用相同的设备名
            • 系统为用户建立用户管理进程，LUT存放在其FCB中
    • 为设备管理、数据传输提供存储空间（缓冲）
      • 缓冲区管理
        • 缓冲区概念
          • 利用内存的一部分
          • 存放低速设备与高速设备相互传递的的信息，高速设备用不会直接访问低速设备
          • 解决CPU与低速设备之间的速度不匹配、减少CPU中断频率、解决数据粒度不匹配、提高CPU与设备并行
        • 缓冲策略
          • 单缓冲
            • 只有一个缓冲区
          • 双缓冲
            • 2个缓冲区（大小相等）
            • 只有一个缓冲区充满，才开始虫另一个缓冲区
          • 计算处理一块的平均用时
          • 循环缓冲
            • 多个大小相等的缓冲区，通过向下一个的链接指针，组成缓冲区环形链
            • in指向第一块空缓冲区
            • out指向第一块满的缓冲区
          • 缓冲池
            • 多个等大的缓冲区构成
            • 三个队列
              • 空缓冲队列
              • 输出缓冲队列
              • 输入缓冲队列
            • 四种缓冲区
              • 收容输入 缓冲区
              • 提取输入 缓冲区
              • 收容输出 缓冲区
              • 提取输出 缓冲区
    • 实现用户程序与设备驱动程序的统一接口
  • 3.设备驱动程序
    • 不同的设备有不同的驱动程序
      • 处理用户的系统调用，找到对应的设备驱动程序
    • 只有通过相应的驱动程序，才能将系统命令，翻译为设备听得懂的命令
    • 对应驱动运行后，将系统格式化的命令翻译为具体的设备操作（比如计算需要操作的数据在硬盘的位置【柱面号、磁头号、扇区号】）
    • 将具体的操作指令发送给设备控制器
  • 4.中断处理程序
    • 先中断该进程，而后系统执行I/O操作
    • 当I/O任务完毕，设备控制器会向其发出中断信号，而后找到相应的中断程序，进行处理中断
    • 主要任务
      • 进程上下文切换
      • 对中处理断信号源进行测试
      • 读取设备状态和修改进程状态
• I/O核心子系统
• 就是右边这个层次机构
• 设备
• 设备控制器
• 硬件
• 中断处理程序
• 设备驱动程序
• 设备独立性软件
• 用户I/O软件
• 向CPU报告设备状态
• 数据交换
• 接收、识别CPU发出的I/O指令