学习路线-后端-操作系统-IO管理

末蓝、 2022-12-05 00:47 228阅读 0赞

## 一，IO概念 ##

> IO就是输入/输出（input / output）

IO设备就是可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出数据的外部设备，属于计算机的硬件部件

日常生活中，最典型的IO设备就是如下几种：

*  键盘，字符输入设备（input）
 *  显示器，输出设备（output）
 *  移动硬盘，既可以输入又可以输出的设备

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

> IO设备分类

*  按使用特性分类
    
     *  人机交互类设备（数据传输速度慢）
     *  存储设备（数据传输速度快）
     *  网络通信设备（数据传输速度介于上述两者之间）
    
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]
 *  按照传输速率分类
    
     *  低速设备（每秒几个到几百字节）
     *  中速设备（每秒几千到上万个字节）
     *  高速设备（每秒数千到千兆字节）
 *  按信息交换的单位分类
    
     *  块设备（传输快，可寻址）
     *  字符设备（传输慢，不可寻址，常采用中断驱动方式）

## 二，IO控制 ##

### 2.1IO控制器 ###

CPU无法直接控制IO设备的机械部件，因此IO设备还要有一个电子部件作为CPU和IO设备机械部件之间的中介，**用于实现CPU对设备的控制**，该电子部件就是IO控制器，又称为设备控制器，**CPU控制IO控制器，IO控制器来控制IO的机械设备**

**IO控制器的功能**

*  接受和识别CPU发出的指令
    
     *  IO控制器中有相应的控制寄存器来存放cpu传来的相应的命令和参数
 *  向cpu报告设备状态
    
     *  IO控制器中有相应的状态寄存器来记录当前IO设备的状态
 *  数据交换
    
     *  IO控制器中有相应的数据寄存器
        
         *  输出时，数据寄存器用于暂存CPU发来的数据，之后再由控制器传送设备
         *  输入时，数据寄存器用于暂存设备发来的数据，之后cpu从数据寄存器中取走数据
 *  地址识别
    
     *  为了区分设备控制器中的各个寄存器，也要给各个寄存器设置一个特定的地址，IO控制器通过CPU提供的地址来判断cpu要读/写哪个寄存器

**IO控制器的组成**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

上文中有说过要给寄存器编地址来区分设备控制器中的各个寄存器

**编址方式：**

*  内存映像IO（控制器中的寄存器和内存统一编制）
    
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]
 *  寄存器独立编址（控制器中寄存器独立编制）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### 2.2IO控制方式 ###

2.2.1程序直接控制方式

**完成一次读操作流程**

*  CPU向控制器发出读指令，设备启动，并且报告自身状态
 *  CPU轮询检查状态控制器中的寄存器，当状态寄存器中设备状态变为已经就绪时，就准备从设备中读入数据
 *  设备在准备好数据后传给数据寄存器
 *  CPU从数据寄存器中读入数据到cpu寄存器
 *  CPU把CPU寄存器中的数据放入内存
 *  判断是否还要继续读入数据，还需要读入则cpu继续发出读指令

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

**cpu干预频率**

CPU干预的频率很频繁，IO操作开始之前，完成之后都需要CPU介入，并且在等待IO完成的过程中CPU需要不断的轮询检查设备状态

**数据传送单位**

数据的传送单位是一个字

**数据的流向**

*  读操作（数据输入）：IO设备 -》 CPU -》内存
 *  写操作（数据输出）：内存 -》CPU -》IO设备

每个字的读写都需要cpu的帮助

**主要缺点和主要优点**

*  优点：实现简单
 *  缺点：cpu利用率低，cpu和IO设备只能串行工作

2.2.2中断驱动方式

**完成一次读操作流程**

引入中断机制，由于IO设备速度很慢，因此在CPU发出读写命令后，可将等待IO的进程阻塞，先切换到别的进程执行（CPU去做别的事情）当IO完成后，IO控制器给CPU发出一个中断信号，CPU检测到中断信号后，会保存当前进程的上下文环境，切换去执行中断处理程序处理该中断，处理中断过程中，CPU从IO控制器读一个字到cpu的寄存器，然后在放入内存，接着，CPU恢复等待IO的进程的上下文，然后继续执行

> 其实就是相当于，CPU在发出了读命令给IO控制器后就阻塞当前等待IO的进程，让IO设备器自己完成IO，等到设备将数据放到IO控制器的数据寄存器后，IO控制器向CPU发出中断，让cpu来取数据放入内存

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

**cpu干预频率**

每次IO操作开始之前，完成之后都需要CPU介入

等待IO完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行

**数据传送单位**

数据的传送单位是一个字

**数据的流向**

*  读操作（数据输入）：IO设备 -》 CPU -》内存
 *  写操作（数据输出）：内存 -》CPU -》IO设备

**主要缺点和主要优点**

*  优点：与程序直接控制方式相比，在中断驱动方式中，IO控制器会通过中断信号主动报告IO完成，CPU不需要不停的轮询，cpu可以和IO设备并行工作，CPU利用率得到提升
 *  缺点，频繁的中断处理会消耗比较多的CPU时间

2.2.3DMA方式

DMA（直接存储器存取）

*  数据传送单位时块，不再试一个字，一个字的传送
 *  数据流向：设备直接到内存或内存直接到设备

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

*  DR（数据寄存器）：暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据
 *  MAR（内存地址寄存器）：在输入时，MAR表示数据应放到内存的什么位置，输出时，MAR表示要输出的数据放在内存的什么位置
 *  DC（数据计数器）：表示剩余要读/写的字节数
 *  CR（命令/状态寄存器）：用于存放CPU发出来的IO命令，或设备的状态信息

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

*  CPU指明此次要进行的操作，比如读操作，并说明要读入多少数据，数据要存放在内存的什么位置，数据在外部设备上的地址
 *  控制器会根据CPU提出的要求完成数据的读写工作，整块数据的传输完成后，才向CPU发出中断信后
 *  dma可以直接和内存交互

**cpu干预频率**

尽在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需要cpu干预

**主要缺点和主要优点**

*  优点：数据传输效率提高，cpu和IO设备的并行性提到提升
 *  缺点：CPU每发出一条IO指令，只能读写一个或多个连续的数据块，如果要读写多个离散存储的数据块，或者要将数据分别写到不同的内存区域，CPU要发出多条IO指令。处理多次中断才能完成

2.2.4通道控制方式

> 通道，独立于CPU的专门负责输入输出控制的处理机，他控制设备与内存直接进行数据交换，有自己的通道指令，这些指令由CPU启动，并在操作结束时向CPU发送中断信号。

通道控制方式实现了CPU，通道和IO设备三者的并行操作，从而更加有效的提高整个系统的资源利用率，当CPU要完成一组读操作时，只需要向IO通道发出一条IO指令，指出其所要执行的通道程序的内存地址和要访问的IO设备，通道收到该指令后，通过执行通道程序便可以完成CPU指定的IO任务，可见 **通道只是在 I/O 操作的起始和结束时向 CPU 发出 I/O 中断申请**，相对于之前的控制方式进一步减少了 CPU 的干预程度。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 10]

**cpu干预频率**

**通道只是在 I/O 操作的起始和结束时向 CPU 发出 I/O 中断申请**，相对于之前的控制方式进一步减少了 CPU 的干预程度。

**数据传送单位**

块

## 三，IO核心子系统 ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 11]

> IO核心子系统主要做的就是IO调度，设备保护，设备分配和回收，缓冲区管理（缓冲和高速缓存）

### 3.1缓冲区管理 ###

> 如果是字符型设备，则每输出完一个字符就要想CPU发出一次中断信号

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 12]

> 使用缓冲区之后，IO设备往缓冲区发送字符数据，等到缓冲区满了在发往CPU

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 13]

**缓冲区的作用：**

*  缓和CPU和IO设备之间速度不匹配的矛盾
 *  减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断相应时间的限制
 *  解决数据粒度不匹配的问题
 *  提高CPU与IO设备之间的并行性

**单缓冲**

操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区，当缓冲区数据非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出

**双缓冲**

操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区

**使用单/双缓冲在通信时的区别**

两台机器之间通信时，可以配置缓冲区用于数据的发送和接收

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 14]

任意时刻，设置单缓冲的两台机器只能实现数据的单向传输

如果设置两个缓冲区的话就可以实现数据的双向通信

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 15]

**循环缓冲区**

很多大小相等的缓冲区链接成一个循环队列

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 16]

**缓冲池**

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MTkyMjI4OQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 17]

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