# IO 的基本概念与分类

# IO 设备介绍

将数据 Input/Output（输入 / 输出）计算机的外部设备

# 按使用特性分类

1. 人机交互类外部设备
2. 存储设备
3. 网络通信设备

# 按传输速率分类

1. 低速设备
2. 中速设备
3. 高速设备

# 按信息交换的单位分类

1. 块设备：传输快，可寻址
2. 字符设备：传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式

# IO 控制器

# 主要功能

1. 接受和识别 CPU 发出的命令
2. 向 CPU 报告设备的状态
3. 数据交换
4. 地址识别

# 组成

1. CPU 与控制器之间的接口：实现控制器与 CPU 之间的通信
2. IO 逻辑：负责识别 CPU 发出的命令，并且向设备发出命令
3. 控制器与设备之间的接口：实现控制器与设备之间的通信

# 两种寄存器编址方式

1. 内存映射
   1. 控制器中的寄存器与内存统一编制
   2. 可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作
2. 寄存器独立编制
   1. 控制器中的寄存器独立编制
   2. 需要设置专门的指令来操作控制器

# IO 控制方式

# 程序直接控制

# 中断驱动方式

# DMA 方式

# 通道控制方式

# 比较

# IO 软件层次结构

# IO 核心子系统

# IO 调度

# 设备保护

# 假脱机技术（SPOOLing 技术）

# 脱机技术概述

# 假脱机技术 —— 输入井与输出井

# 假脱机技术 —— 输入 / 输出缓冲区

# 设备的分配与回收

# 考虑因素

1. 固有属性：独占设备，共享设备，虚拟设备（SPOOLing）
2. 分配算法：先来先服务，优先级高者优先，短任务优先等
3. 安全性：安全分配方式，不安全分配方式

# 静态分配与动态分配

1. 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
2. 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

1. 设备控制表（DCT）：每个设备对应一张 DCT，关键字段：类型 / 标识符 / 状态 / 指向 COCT 的指针 / 等待队列指针
2. 控制器控制表（COCT）：每个控制器对应一张 COCT，关键字段：状态 / 指向 CHCT 的指针 / 等待队列
3. 通道控制表（CHCT）：每个控制器对应一张 CHCT，关键字段：状态 / 等待队列指针
4. 系统设备表（SDT）：记录整个系统中所有设备的情况，每个设备对应一个表目，关键字段：设备类型 / 标识符 / DCT / 驱动程序入口

# 设备分配步骤

1. 根据进程请求的物理设备查找 SDT，根据 SDT 找到 DCT 并分配设备，根据 DCT 找到 COCT 并分配控制器，根据 COCT 找到 CHCT 找到 CHCT 分配通道
2. 只有设备，控制器，通道三者都分配成功时，这次设备才算分配成功，之后便可启动 IO 设备进行数据传送
3. 缺点：用户编程必须使用物理设备名，若换了一个物理设备，则程序无法运行，若进程的物理设备正在忙碌，即便使系统中还有同类型设备，进程也必须阻塞等待

# 设备分配步骤的改进

1. 用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现逻辑设备名到物理设备名的映射（通过 LUT）
2. 逻辑设备表的设置问题
   1. 整个系统只有一张 LUT：各用户所用逻辑设备名不允许重复
   2. 每个用户一张 LUT：各个用户的逻辑设备名可重复

# 缓冲区管理

# 缓冲区概念

1. 一般利用内存作为缓冲区
2. 缓解 CPU 与设备的速度矛盾，减少对 CPU 的中断频率，解决数据粒度不匹配的问题，提高 CPU 与 IO 设备之间并行性

# 单缓冲

1. 设备 -（T）- 缓冲区 -（M）- 工作区 -（C）- 处理
2. 处理一块数据平均耗时 Max（C，T）+M
3. 分析问题的初始状态：工作区满，缓冲区空

# 双缓冲

1. 处理一块数据平均耗时 Max（T，C+M）
2. 分析问题初始状态：工作区空，一个缓冲区满，一个缓冲区空

# 循环缓冲

多个缓冲区链接成循环队列，in 指针指向第一个空缓冲区，out 指针指向第一个满缓冲区

# 缓冲池

1. 三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列
2. 四个工作缓冲区
   1. 用于收容输入数据的工作缓冲区、用于提取输入数据的工作缓冲区
   2. 用于收容输出数据的工作缓冲区、用于提取输出数据的工作缓冲区