操作系统笔记10：I/O管理

一、I/O 管理概述

#

1.1 I/O 的特点

#

• I/O 性能往往是系统性能的瓶颈
• 设备种类多、杂，并发控制复杂——操作系统庞杂的重要原因
• 速度差异大、控制接口复杂、传送单位不同、数据表示不一致、错误条件各异
• 与文件系统联系密切

1.2 设备分类

#

按数据特征分：

按资源分配角度分：

1.3 I/O 管理的目标

#

1. 控制设备操作，完成 I/O 设备与内存之间的数据交换（设备分配/回收、记录状态、执行驱动、中断处理、缓冲区管理）
2. 建立统一、独立于设备的接口——用户使用逻辑设备名，系统屏蔽硬件细节
3. 提高并行性——利用中断、缓冲、DMA 等技术使 CPU 与设备并行工作
4. 保护——设备数据的安全与保密

1.4 设备驱动模型

#

硬件差异 vs 应用统一 → 引入中间层 VFS，通过 struct file / inode / dentry 的函数指针表实现多态。

二、I/O 硬件组成

#

2.1 设备控制器的功能

#

• 地址译码（端口地址）
• 按约定格式收发数据和控制信号
• 数模转换（数字 ↔ 模拟信号）
• 内部硬件缓冲、数据加工

当控制器接受一条命令后，可独立于 CPU 完成指定操作；操作完成时产生中断通知 CPU。

2.2 I/O 端口编址

#

MMIO 的关键问题：控制寄存器不能进行高速缓存，否则轮询循环会只读缓存而错过设备状态变化。硬件必须支持逐页选择性禁用缓存。

三、I/O 控制方式

#

3.1 三种基本方式

#

3.2 I/O 部件的演化

#

1. CPU 直接控制外围设备
2. 增加控制器，CPU 使用非中断可编程 I/O
3. 采用中断方式，CPU 无需等待
4. DMA 直接控制存储器（块传输）
5. I/O 部件增强为独立处理器（I/O 通道）
6. I/O 部件有自己的局部存储器（独立计算机）

四、I/O 软件层次

#

分层的设计思想：较低层考虑硬件特性，较高层不依赖硬件。

用户级 I/O 软件          ← 用户进程，系统调用，格式化 I/O 数据
独立于设备的软件          ← 设备命名、保护、缓冲、块大小统一
设备驱动程序              ← 设置设备寄存器、检查执行状态
中断处理程序              ← I/O 完成时唤醒驱动进程
硬件                      ← 物理 I/O 操作

4.1 设备独立性（设备无关性）

#

• 用户使用逻辑设备名，系统完成逻辑→物理转换
• 好处：设备分配时灵活、易于实现 I/O 重定向
• 实现：设备作为特殊文件处理，用户 I/O 请求在文件系统中完成合法性检查和参数处理

4.2 设备驱动程序

#

• 每个设备驱动程序处理一种设备类型
• 接收来自上层软件的抽象请求并执行
• 与外界的接口：操作系统接口、系统引导接口、设备接口

4.3 I/O 进程模型

#

专门处理系统中 I/O 请求和中断的系统进程：

• 用户程序 send 发 I/O 请求给 I/O 进程 → block 阻塞自己
• I/O 完成后 wakeup 唤醒用户进程
• 中断到达时，内核发消息给 I/O 进程处理

五、缓冲技术

#

5.1 为什么引入缓冲

#

• 解决 CPU 与 I/O 设备速度不匹配（最早引入的技术）
• 提高 CPU 与 I/O 设备之间的并行性
• 减少对 CPU 的中断请求次数

5.2 缓冲区分类

#

5.3 UNIX System V 缓冲池

#

• 约 200 个缓冲区，每个 512 或 1024 字节
• 每个缓冲区 = 缓冲控制块（设备号、盘块号、状态、指针）+ 缓冲数据区

每个缓冲区同时在两条链中：

散列公式：i = (b_dev + block) mod 64

访问流程：根据盘块号在 b 链查找 → 找到则标记"忙"并从 av 链取下 → 传送数据 → 释放回 av 链尾 → 保留在 b 链中（数据有效可复用）→ 长期未用从 av 链头被置换。

六、设备分配

#

6.1 独占设备分配

#

6.2 分时共享设备

#

以一次 I/O 为单位分时使用，请求排队。典型：SPOOLing 技术——用硬盘模拟打印机，打印请求排队由 daemon 进程逐个处理。

七、I/O 性能

#

目的：使CPU利用率尽可能不被IO降低，尽可能摆脱IO（如DMA）。

7.1 同步 vs 异步 I/O

#

7.2 性能优化措施

#

• 缓冲技术 → 减少速度差距
• 异步 I/O → CPU 不等待 I/O
• DMA / 通道 → CPU 摆脱 I/O 操作