學(xué)什么？

• I/O? input / output??
• 輸入：鼠標(biāo) 鍵盤 手柄 觸摸屏 攝像頭 MTC? 掃描儀
• 輸出：顯示器 打印機(jī)? 耳機(jī)? 音響?
• 既是輸入也是輸出：光驅(qū)? 網(wǎng)卡? 磁盤? U盤
• 硬件：設(shè)備如何把數(shù)據(jù)返回到PC機(jī)，但是不同種類的設(shè)備，適合不同的控制方式，引出了I/O控制方式（數(shù)據(jù)怎么輸入輸出）
• 軟件：輸入輸出時(shí)面對(duì)的多種問(wèn)題，CPU與I/O速度不匹配，基本數(shù)據(jù)單元大小也不匹配 引出了，緩存技術(shù);緩沖技術(shù)(內(nèi)存)；假脫機(jī)技術(shù)；spooling技術(shù)? ；因?yàn)槭褂糜布倪M(jìn)程數(shù)量很多，但是硬件設(shè)備比較少，如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行分配和回收？
• I/O系統(tǒng)層次管理 ->? 代碼實(shí)現(xiàn)框架? ??各司其職，低耦合性，便于代碼的修改和軟件的更新、高效移植

IO管理硬件知識(shí)

IO管理設(shè)備分類(硬件分類)

• 按照數(shù)據(jù)的傳輸速度進(jìn)行分類（使用場(chǎng)合決定的 -> 人類設(shè)計(jì)）
• 高速設(shè)備? ? ?以MB/GB為單位? ? ?磁帶、磁盤、光盤、U盤、網(wǎng)卡等
• 中速設(shè)備? ? ?以KB為單位? ? ? ? ? ? 打印機(jī)(串口設(shè)備)
• 低速設(shè)備? ? ?以B為單位? ? ? ? ? ? ? 鍵盤、鼠標(biāo)、手柄等
• 注意事項(xiàng)：
• 和人類接觸的設(shè)備為低速設(shè)備
• 中速設(shè)備: 機(jī)械設(shè)備，速度介于電子設(shè)備(CPU、內(nèi)存)和人類之間
• 高速設(shè)備：盡可能快
• 按照信息交換的單位分
• 塊設(shè)備? ? ? ? ?以數(shù)據(jù)塊為單位傳輸? ? U盤、硬盤、SD卡、網(wǎng)卡等? ? 高速設(shè)備
• 字符設(shè)備? ? ?以字符為單位傳輸? ? ?鍵盤、鼠標(biāo)、手柄、打印機(jī)等? ? 低速/中速設(shè)備

IO控制方式

控制方式的發(fā)展過(guò)程

• 程序直接控制方式：cpu主動(dòng)詢問(wèn)? ? ?費(fèi)時(shí)費(fèi)力，cpu利用率很低
• 中斷驅(qū)動(dòng)方式：CPU被動(dòng)通知，cpu利用率稍微提高，cpu取數(shù)據(jù)? ? 最為常用
• DMA方式：CPU被動(dòng)通知，DMA控制器硬件，dma取數(shù)據(jù)，cpu利用取回的數(shù)據(jù)；dma需要知道取幾個(gè)數(shù)據(jù)，以及數(shù)據(jù)取完之后，不同數(shù)據(jù)的存放地址，取數(shù)據(jù)操作結(jié)束之后，通知CPU進(jìn)行下一步操作；減少了cpu被通知的次數(shù)，減少cpu中斷的次數(shù)；缺點(diǎn)：cpu需要對(duì)DMA下達(dá)很多的指令，進(jìn)一步優(yōu)化
• 通道方式：cpu的被動(dòng)通知，減少cpu對(duì)dma下達(dá)的指令數(shù)；cpu利用率進(jìn)一步提高；使用協(xié)處理器對(duì)DMA施加命令，整體完成之后才通知cpu
• 從上往下 CPU的利用率提高，設(shè)計(jì)復(fù)雜度提高，成本也提高

程序直接控制方式

• cpu周期性運(yùn)行輸入進(jìn)程(50ms)，當(dāng)輸入進(jìn)程檢測(cè)到鍵盤輸入的數(shù)據(jù)之后，利用進(jìn)程間通信的方式將數(shù)據(jù)傳輸給需要的進(jìn)程
• 該方式效率很低，幾乎不再使用
• mcu dsp 等還在使用
• 通常用在低速設(shè)備中，高速設(shè)備容易丟失數(shù)據(jù)(鍵盤輸入速度趕不上 cpu處理速度)

中斷類控制方式

中斷驅(qū)動(dòng)方式

• 新增控制總線 （中斷信號(hào)在其中傳輸，提高成本）
• 中斷處理程序不是 進(jìn)程
• 鍵盤輸入程序，引發(fā)控制總線的中斷，中斷會(huì)觸發(fā)中斷處理程序，中斷處理程序會(huì)從數(shù)據(jù)總線獲取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)傳給其他進(jìn)程
• 廣泛使用，使用在低速設(shè)備，比如鍵盤、手柄、鼠標(biāo)等
• 中斷控制總線? 數(shù)量有限，如果沒(méi)有了，只能使用程序直接控制的方式

DMA方式

• DMA 一般用于塊設(shè)備、高速設(shè)備
• DMA控制器的四個(gè)寄存器
• 內(nèi)存地址寄存器MAR? 記錄內(nèi)存開(kāi)始的地址? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?地址
• 數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)寄存器DC? ?一次需要從外設(shè)讀取的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)? ? ?長(zhǎng)度
• 數(shù)據(jù)寄存器DR? 接收物理外設(shè)輸入的數(shù)據(jù)，將接收的數(shù)據(jù)再傳給對(duì)應(yīng)需要的進(jìn)程，起到緩存的占用
• 命令狀態(tài)寄存器CR? 控制讀，讀完執(zhí)行的指令
• 步驟
• 1，磁盤向CPU發(fā)出DMA傳輸請(qǐng)求
• 2，cpu接收請(qǐng)求，執(zhí)行DMA配置程序，對(duì)四個(gè)寄存器的地址進(jìn)行設(shè)置
• 3，DMA控制器讀取磁盤(設(shè)備)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)寄存器DR，一個(gè)一個(gè)字節(jié)的讀
• 4，DMA控制器根據(jù)MAR的數(shù)值，尋找內(nèi)存存放的位置，開(kāi)始搬運(yùn)數(shù)據(jù)
• 5，DMA控制器開(kāi)始搬運(yùn)數(shù)量為 數(shù)據(jù)寄存器DC 存儲(chǔ)的數(shù)值大小的值
• 6，一組數(shù)據(jù)搬運(yùn)完成之后，則DMA控制器產(chǎn)生中斷信號(hào)給cpu
• 7，cpu執(zhí)行中斷程序，利用信號(hào)量通知其他程序 數(shù)據(jù)傳輸完一組
• 8，如果數(shù)據(jù)全部傳輸完畢，則傳輸自動(dòng)結(jié)束；如果還有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，則重新執(zhí)行 1-8

• 優(yōu)勢(shì)
• 減少了CPU被通知的次數(shù)? 具體體現(xiàn)在上述流程的? 4-5
• 只有所有數(shù)據(jù)讀完才執(zhí)行一次中斷處理程序 而不會(huì)每來(lái)一個(gè)數(shù)據(jù)就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)字段?

通道方式

• 新增通道協(xié)處理器
• 每傳輸一次數(shù)據(jù) 會(huì)進(jìn)行一次DMA配置
• 步驟
• 1，磁盤(設(shè)備)向cpu發(fā)出通道傳輸請(qǐng)求
• 2，cpu接收請(qǐng)求，激活通道協(xié)處理器，并告知通道協(xié)處理器的位置
• 3，通道協(xié)處理器執(zhí)行通道程序進(jìn)行DMA配置
• 4，DMA控制器 開(kāi)始讀取數(shù)據(jù)到?數(shù)據(jù)寄存器DR
• 5，DMA控制器根據(jù)MAR的數(shù)值，尋找內(nèi)存存放的位置，開(kāi)始搬運(yùn)數(shù)據(jù)
• 6，DMA控制器開(kāi)始搬運(yùn)數(shù)量為 數(shù)據(jù)寄存器DC 存儲(chǔ)的數(shù)值大小的值
• 7，如果還有下一組數(shù)據(jù) 則繼續(xù)執(zhí)行 3-7
• 8，如果沒(méi)有下一組數(shù)據(jù)，則說(shuō)明幾組數(shù)據(jù)傳輸完成，通道協(xié)處理器向cpu發(fā)出中斷信號(hào)
• 9，中斷程序通知其他進(jìn)程，幾組數(shù)據(jù)全部傳輸完成

?

緩存技術(shù)

• 緩存的原因：通過(guò)在高速存儲(chǔ)器里面保存低速存儲(chǔ)器的副本，來(lái)提高cpu對(duì)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)速度
• 例如
• 快表是頁(yè)表的緩存
• 請(qǐng)求分頁(yè)中，cache中的頁(yè)面是內(nèi)存中工作集頁(yè)面的緩存
• 內(nèi)存中工作集頁(yè)面是磁盤中程序頁(yè)面的緩存
• 現(xiàn)在 快速 的里面找，如果沒(méi)有才會(huì)到慢速的設(shè)備里面尋找

為什么引入緩存技術(shù)

• 對(duì)低速設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行堆積，放在緩存區(qū)中，積少成多，然后cpu對(duì)其進(jìn)行集中性處理
• 目的和好處
• 緩和cpu和IO設(shè)備速度不匹配的矛盾
• 解決基本數(shù)據(jù)單元大小不匹配的問(wèn)題?
• 減少IO對(duì)cpu中斷頻率（緩沖區(qū)大小 如DMA傳輸）
• 提高cpu與IO設(shè)備的并行性

單緩沖區(qū)

• 設(shè)置緩沖區(qū)和工作區(qū)，比如播放器是將緩沖區(qū)的內(nèi)容取到工作區(qū)之后，對(duì)工作區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，然后緩沖區(qū)繼續(xù)緩沖數(shù)據(jù)。就可以實(shí)現(xiàn)，播放器一邊播放，一邊緩沖數(shù)據(jù)。播放和緩存同時(shí)進(jìn)行
• 軟存區(qū)為空的時(shí)候，才可以輸入數(shù)據(jù)，直到充滿為止
• 緩存區(qū)滿的時(shí)候，才可以取出，直到為空的時(shí)候?yàn)橹?/li>
• 生產(chǎn)時(shí)間 > 消費(fèi)時(shí)間 ->? 處理一塊緩存區(qū)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間 = 取用時(shí)間 + 生產(chǎn)時(shí)間
• 生產(chǎn)時(shí)間 <?消費(fèi)時(shí)間 ->? 處理一塊緩存區(qū)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間 = 取用時(shí)間 + 消費(fèi)時(shí)間
• 處理一塊緩存區(qū)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間 = 取用時(shí)間 + MAX(消費(fèi)時(shí)間 , 生產(chǎn)時(shí)間)
• 處理一塊緩存區(qū)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間 = MAX(生產(chǎn)時(shí)間，消費(fèi)時(shí)間 + 取用時(shí)間)

雙緩沖區(qū)

• 相較于先前 單緩沖區(qū)，利用了 播放器將數(shù)據(jù)從緩沖區(qū)到工作區(qū)這段時(shí)間? ?（取時(shí)間）
• 生產(chǎn)時(shí)間 > 取用時(shí)間 + 消費(fèi)時(shí)間 ->? 取用時(shí)間 + 生產(chǎn)時(shí)間
• 生產(chǎn)時(shí)間 <?取用時(shí)間 + 消費(fèi)時(shí)間(產(chǎn)生斷層，數(shù)據(jù)中斷) -
• 結(jié)論一致??處理一塊緩存區(qū)數(shù)據(jù)的平均時(shí)間 = MAX(生產(chǎn)時(shí)間，消費(fèi)時(shí)間 + 取用時(shí)間)
• 生產(chǎn)時(shí)間 > 取用時(shí)間 + 消費(fèi)時(shí)間 IO設(shè)備可以連續(xù)輸入數(shù)據(jù)，cpu會(huì)等待
• 生產(chǎn)時(shí)間 <?取用時(shí)間 + 消費(fèi)時(shí)間?IO設(shè)備不可以連續(xù)輸入數(shù)據(jù)，cpu繁忙

循環(huán)緩沖區(qū)?

• 使用循環(huán)鏈表 的形式首尾相連，每個(gè)緩沖區(qū)的大小相等
• 兩個(gè)指針 in 和 out，in負(fù)責(zé)輸入數(shù)據(jù)，out負(fù)責(zé)取出數(shù)據(jù)
• 會(huì)產(chǎn)生追趕問(wèn)題，in和out指針
• 生產(chǎn) > 輸出，不可以連續(xù)輸入，cpu忙，處理數(shù)據(jù)
• 生產(chǎn) < 輸出，可以連續(xù)輸入，cpu等待

緩沖池

• 緩沖池中的緩沖區(qū)是公用的
• 分別設(shè)置 輸入隊(duì)列、輸出隊(duì)列和空閑隊(duì)列
• 收容輸入 取空閑隊(duì)列的頭部的容器塊，裝載來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)；
• 提取輸入 將裝載數(shù)據(jù)的容器塊，送到指定的進(jìn)程工作區(qū)，然后將沒(méi)有數(shù)據(jù)的容器塊重新放到排隊(duì)隊(duì)列等待裝載數(shù)據(jù)
• 收容輸出 取空閑隊(duì)列的頭部的容器塊，裝載來(lái)自進(jìn)程工作區(qū)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)
• 提取輸出 將裝載數(shù)據(jù)的容器塊，送到指定的進(jìn)程服務(wù)器，然后將沒(méi)有數(shù)據(jù)的容器塊重新放到排隊(duì)隊(duì)列等待裝載數(shù)據(jù)

SpooLing技術(shù)

• 輸入設(shè)備 將數(shù)據(jù)放到內(nèi)存中的輸入緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿的時(shí)候，由spi進(jìn)程將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)保存到磁盤中的輸入井中的脫機(jī)輸入文件里。如果其他進(jìn)程要使用，則讀取脫機(jī)輸入文件即可
• 其他進(jìn)程輸出數(shù)據(jù)的時(shí)候，先將其保存到輸入井中的脫機(jī)輸出文件里，再由SPO進(jìn)程依次將輸出文件數(shù)據(jù)輸出到內(nèi)存的輸出緩沖區(qū)，再輸出到輸出設(shè)備里面
• 例子 共享打印機(jī)
• 優(yōu)勢(shì)：掉電不會(huì)丟失

設(shè)備的分類

• 從軟件思維對(duì)設(shè)備分類
• 獨(dú)占式設(shè)備 -> 打印機(jī)??
• 虛擬設(shè)備 -> spooling虛擬出來(lái)的設(shè)備
• 分時(shí)共享設(shè)備 -> 磁盤網(wǎng)卡?

設(shè)備的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

• OS 內(nèi)核
• 硬件系統(tǒng)
• 設(shè)備 = 機(jī)械部分 + 電子部分
• 查詢過(guò)程? SDT -> DCT -> COCT -> CHCT
• SDT 系統(tǒng)設(shè)備表? PC機(jī)已有設(shè)備
• DCT 設(shè)備控制表? 具體設(shè)備，比如鍵盤、鼠標(biāo)
• COCT 控制器控制表
• CHCT 通道控制表

IO層級(jí)結(jié)構(gòu)

• 軟件分層思想
• 用戶層IO軟件? ? ? ->api接口
• 設(shè)備獨(dú)立性軟件? ?->將不同的設(shè)備進(jìn)行封裝，統(tǒng)一接口，如linux將所有的設(shè)備都視為文件 Dev目錄下，設(shè)備的文件
• 設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件? ? ? ->控制設(shè)備的程序 不同的設(shè)備 需要不同的操作程序
• 中斷處理程序? ? ? ->中斷處理 IO控制方式
• 硬件? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ->機(jī)械部分 + 電子部分 = 設(shè)備

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统 IO管理的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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