5.1 I/O管理概述

5.1.1 I/O設(shè)備

注：塊設(shè)備可以尋址，但是字符設(shè)備是不可尋址的

I/O設(shè)備是將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中，或者可以接收計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)的外部設(shè)備，屬于計(jì)算機(jī)中的硬件部件；

1. 設(shè)備的分類
   • 按使用特性分類：
     • 人機(jī)交互類外部設(shè)備：鼠標(biāo)、鍵盤、打印機(jī)等，用于人機(jī)交互。數(shù)據(jù)傳輸速度慢。
     • 存儲設(shè)備：移動硬盤、光盤等，用于數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)傳輸速度快。
     • 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備：調(diào)制解調(diào)器等，用于網(wǎng)絡(luò)通信。數(shù)據(jù)傳輸速度介于上述二者之間。
   • 按信息交換的單位分類：
     • 塊設(shè)備。信息交換以數(shù)據(jù)塊為單位。它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備，如磁盤等。磁盤設(shè)備的基本特征是傳輸速率較高、可尋址，即對它可隨機(jī)地讀/寫任意一塊。
     • 字符設(shè)備。信息交換以字符為單位。它屬于無結(jié)構(gòu)類型，如交互式終端機(jī)、打印機(jī)等。
   • 按傳輸速率分類：
     • 低速設(shè)備。傳輸速率僅為每秒幾字節(jié)到數(shù)百字節(jié)的一類設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)等。
     • 中速設(shè)備。傳輸速率為每秒數(shù)千字節(jié)至數(shù)萬字節(jié)的一類設(shè)備，如激光打印機(jī)等。
     • 高速設(shè)備。傳輸速率在數(shù)百千字節(jié)至千兆字節(jié)的一類設(shè)備，如磁盤機(jī)、光盤機(jī)等。
2. I/O接口

I/O接口（又稱為設(shè)備控制器）位于CPU與設(shè)備之間，它既要與CPU通信，又要與設(shè)備通信，還要具有按CPU發(fā)來的命令去控制設(shè)備工作的功能，主要由三部分組成，如下圖所示。

• 組成部分：

  • 設(shè)備控制器與CPU的接口：實(shí)現(xiàn)控制器與CPU之間的通信

    該接口有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。

    數(shù)據(jù)線與兩類寄存器相連：數(shù)據(jù)寄存器（存放從設(shè)備送來的輸入數(shù)據(jù)或從CPU送來的輸出數(shù)據(jù)）和控制/狀態(tài)寄存器（存放從CPU送來的控制信息或設(shè)備的狀態(tài)信息）。

  • 設(shè)備控制器與設(shè)備的接口：實(shí)現(xiàn)控制器與設(shè)備之間的通信

    一個(gè)設(shè)備控制器可以連接一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，因此控制器中有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備接口。

    每個(gè)接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。

  • I/O邏輯：負(fù)責(zé)識別CPU發(fā)出的命令，并向設(shè)備發(fā)出命令

    用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制。它通過一組控制線與CPU交互，對從CPU收到的I/O命令進(jìn)行譯碼。

    CPU啟動設(shè)備時(shí)，將啟動命令發(fā)送給控制器，同時(shí)通過地址線把地址發(fā)送給控制器，由控制器的I/O邏輯對地址進(jìn)行譯碼，并相應(yīng)地對所選設(shè)備進(jìn)行控制。

• 主要功能：

  • 接受和識別CPU發(fā)出的指令（控制寄存器）
  • 向CPU報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)（狀態(tài)寄存器）
  • 數(shù)據(jù)交換（數(shù)據(jù)寄存器暫存數(shù)據(jù)）
  • 地址識別（由I/O邏輯實(shí)現(xiàn)）
  • 數(shù)據(jù)緩沖
  • 差錯(cuò)控制

3.I/O端口

I/O端口是指設(shè)備控制器中可被CPU直接訪問的寄存器，主要有以下三類寄存器。

• 寄存器類型：

  • 數(shù)據(jù)寄存器：實(shí)現(xiàn)CPU和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)緩沖。
  • 狀態(tài)寄存器：獲取執(zhí)行結(jié)果和設(shè)備的狀態(tài)信息，以讓CPU知道是否準(zhǔn)備好。
  • 控制寄存器：由CPU寫入，以便啟動命令或更改設(shè)備模式。

• 實(shí)現(xiàn)I/O端口通信，有兩種編址方法：

  

  • 獨(dú)立編址。為每個(gè)端口分配一個(gè)I/O端口號，所有I/O端口形成I/O端口空間，普通用戶程序不能對其進(jìn)行訪問，只有操作系統(tǒng)使用特殊的I/O指令才能訪問端口。
  • 統(tǒng)一編址。又稱內(nèi)存映射I/O，每個(gè)端口被分配唯一的內(nèi)存地址，且不會有內(nèi)存被分配這地址，通常分配給端口的地址靠近地址空間的頂端。

5.1.2 I/O控制方式

設(shè)備管理的主要任務(wù)之一是控制設(shè)備和內(nèi)存或CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的輸入/輸出控制方式有以下4種。

1. 程序直接控制方式

   如下圖所示，計(jì)算機(jī)從外部設(shè)備讀取的每個(gè)字，CPU需要對外設(shè)狀態(tài)進(jìn)行循環(huán)檢查，直到確定該字已經(jīng)在I/O控制器的數(shù)據(jù)寄存器中。

   • 工作流程：

     

   • CPU干預(yù)的頻率：很頻繁，I/O操作開始之前、完成之后需要CPU介入，并且在等待I/O完成的過程中CPU需要不斷地輪詢檢查。

   • 數(shù)據(jù)傳送的單位：每次讀/寫一個(gè)字

   • 數(shù)據(jù)的流向：

     • 讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→CPU→內(nèi)存
     • 寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→CPU→I/O設(shè)備
     • 每個(gè)字的讀/寫都需要CPU的幫助

   • 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡單。在讀/寫指令之后，加上實(shí)現(xiàn)循環(huán)檢查的一系列指令即可

   • 缺點(diǎn)：CPU和I/O設(shè)備只能串行工作，CPU需要一直輪詢檢查，長期處于“忙等”狀態(tài)，CPU利用率低。

   這種方式不會讓進(jìn)程阻塞

   /*實(shí)際上，程序直接控制方式（也稱為忙等待或輪詢）在某些情況下確實(shí)會讓進(jìn)程阻塞，但這里的“阻塞”與傳統(tǒng)意義上的操作系統(tǒng)中的阻塞（如等待I/O操作完成而掛起進(jìn)程）有所不同。在程序直接控制方式中，進(jìn)程不會因等待I/O操作完成而被操作系統(tǒng)掛起或切換到其他進(jìn)程，但它會停留在當(dāng)前的循環(huán)中，不斷檢查I/O操作的完成情況，這同樣會導(dǎo)致進(jìn)程無法執(zhí)行其他任務(wù)，從而形成一種“阻塞”的效果，盡管這種阻塞是在用戶態(tài)內(nèi)發(fā)生的，并未涉及操作系統(tǒng)層面的進(jìn)程調(diào)度。詳細(xì)解釋如下：忙等待（Busy Waiting）：在程序直接控制方式中，當(dāng)進(jìn)程需要執(zhí)行I/O操作時(shí)，它不會通過系統(tǒng)調(diào)用來請求操作系統(tǒng)完成I/O，而是會直接在用戶態(tài)中循環(huán)檢查I/O設(shè)備的狀態(tài)。如果I/O操作尚未完成，進(jìn)程會繼續(xù)循環(huán)檢查，而不是被操作系統(tǒng)掛起或切換到其他進(jìn)程。這種持續(xù)的檢查操作占用了CPU資源，但進(jìn)程并沒有進(jìn)行實(shí)質(zhì)性的工作（如處理數(shù)據(jù)、計(jì)算等），因此被視為一種“忙等待”或“輪詢”。
   CPU資源浪費(fèi)：由于進(jìn)程在忙等待期間持續(xù)占用CPU資源，而并沒有進(jìn)行有效的計(jì)算或處理，這會導(dǎo)致CPU資源的浪費(fèi)。特別是當(dāng)I/O操作需要較長時(shí)間才能完成時(shí)，這種浪費(fèi)尤為明顯。
   響應(yīng)性差：由于進(jìn)程被“阻塞”在忙等待循環(huán)中，它無法及時(shí)響應(yīng)其他事件或請求，如用戶輸入、定時(shí)器中斷等。這會導(dǎo)致程序的響應(yīng)性變差，用戶體驗(yàn)下降。
   并非真正的阻塞：然而，需要注意的是，程序直接控制方式中的“阻塞”與傳統(tǒng)意義上的阻塞（如等待I/O操作完成而掛起進(jìn)程）是不同的。在程序直接控制方式中，進(jìn)程并沒有被操作系統(tǒng)掛起或切換到其他進(jìn)程，它仍然在運(yùn)行中，只是由于持續(xù)進(jìn)行無效的忙等待而無法執(zhí)行其他任務(wù)。
   綜上所述，程序直接控制方式雖然不會讓進(jìn)程在操作系統(tǒng)層面被掛起或阻塞，但它通過忙等待的方式同樣會導(dǎo)致進(jìn)程無法執(zhí)行其他任務(wù)，從而形成一種在用戶態(tài)內(nèi)的“阻塞”效果。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，我們通常會采用更高效的I/O控制方式（如中斷驅(qū)動方式、DMA方式等）來避免這種不必要的資源浪費(fèi)和性能下降。*/
   

2. 中斷驅(qū)動方式

   

   中斷驅(qū)動方式的思想是，允許I/O設(shè)備主動打斷CPU的運(yùn)行并請求服務(wù)，從而"解放” CPU，使得其向I/O控制器發(fā)送讀命令后可以繼續(xù)做其他有用的工作。

   • 工作流程：
     • 引入中斷機(jī)制。由于I/O設(shè)備速度很慢，因此在CPU發(fā)出讀/寫命令后，可將等待I/O的進(jìn)程阻塞，先切換到別的進(jìn)程執(zhí)行。
     • 當(dāng)I/O完成后，控制器會向CPU發(fā)出一個(gè)中斷信號，CPU檢測到中斷信號后，會保存當(dāng)前進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境信息，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序處理該中斷。
     • 處理中斷的過程中，CPU從I/O控制器讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)傳送到CPU寄存器，再寫入主存。接著，CPU恢復(fù)等待I/O的進(jìn)程（或其他進(jìn)程）的運(yùn)行環(huán)境，然后繼續(xù)執(zhí)行。

   ①CPU會在每個(gè)指令周期的末尾檢查中斷：
   ②中斷處理過程中需要保存、恢復(fù)進(jìn)程的運(yùn)行環(huán)境，這個(gè)過程是需要一定時(shí)間開銷的?？梢?#xff0c;如果中斷發(fā)生的須率太高，也會降低系統(tǒng)性能。

   • CPU干預(yù)的頻率：每次I/O操作開始之前、完成之后需要CPU介入。等待I/O完成的過程中CPU可以切換到別的進(jìn)程執(zhí)行。
   • 數(shù)據(jù)傳送單位：每次讀/寫一個(gè)字
   • 數(shù)據(jù)流向：
     • 讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→CPU→內(nèi)存
     • 寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→CPU→I/O設(shè)備
   • 優(yōu)點(diǎn)：與“程序直接控制方式”相比，在“中斷驅(qū)動方式”中，I/O控制器會通過中斷信號主動報(bào)告I/O已完成，CPU不再需要不停地輪詢。CPU和I/O設(shè)備可并行工作，CPU利用率得到明顯提升。
   • 缺點(diǎn)：每個(gè)字在I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的傳輸，都需要經(jīng)過CPU。而頻繁的中斷處理會消耗較多的CPU時(shí)間。

   這種方式會讓進(jìn)程阻塞

3. DMA方式

   DMA（直接存儲器存取）方式的基本思想是在I/O設(shè)備和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路，徹底“解放”CPU。下圖為DMA工作流程。

   • 與“中斷驅(qū)動方式”相比，DMA方式有這樣幾個(gè)改進(jìn)：

     • ①數(shù)據(jù)的傳送單位是“塊”。不再是一個(gè)字、一個(gè)字的傳送：
     • ②數(shù)據(jù)的流向是從設(shè)備直接放入內(nèi)存，或者從內(nèi)存直接到設(shè)備。不再需要CPU作為“快遞小哥”。
     • ③僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需要CPU干預(yù)，數(shù)據(jù)傳送通過DMA控制器完成。

   • DMA控制器組成：

     下圖為DMA控制器的組成。

     

     DMA控制器中設(shè)置如下4類寄存器：

     • 數(shù)據(jù)寄存器（DR）。暫存從設(shè)備到內(nèi)存或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。
     • 內(nèi)存地址寄存器（MAR）。在輸入時(shí)，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時(shí)，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。
     • 數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器（DC）。存放本次要傳送的字（節(jié)）數(shù)，剩余要讀/寫的字節(jié)數(shù)。
     • 命令/狀態(tài)寄存器（CR）。接收從CPU發(fā)來的I/O命令、有關(guān)控制信息，或設(shè)備的狀態(tài)。

   • CPU干預(yù)的頻率：僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需要CPU干預(yù)。

   • 數(shù)據(jù)傳送單位：每次讀/寫一個(gè)或多個(gè)塊（注意：每次讀寫的只能是連續(xù)的多個(gè)塊，且這些塊讀入內(nèi)存后在內(nèi)存中也必須是連續(xù)的）

   • 數(shù)據(jù)流向：

     • 讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→內(nèi)存
     • 寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→I/O設(shè)備

   • 優(yōu)點(diǎn)：數(shù)據(jù)傳輸以“塊”為單位，CPU介入頻率進(jìn)一步降低。數(shù)據(jù)的傳輸不再需要先經(jīng)過CPU再寫入內(nèi)存，數(shù)據(jù)傳輸效率進(jìn)一步增加。CPU和I/O設(shè)備的并行性得到提升。

   • 缺點(diǎn)：CPU每發(fā)出一條I/O指令，只能讀/寫一個(gè)或多個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。如果要讀/寫多個(gè)離散存儲的數(shù)據(jù)塊，或者要將數(shù)據(jù)分別寫到不同的內(nèi)存區(qū)域時(shí)，CPU要發(fā)出多條I/O指令，進(jìn)行多次中斷處理才能完成。

4. 通道控制方式

   通道：I/O通道是指專門負(fù)責(zé)輸入輸出的處理機(jī)。是一種硬件，可以理解為是“弱雞版的CPU”。通道可以識別并執(zhí)行一系列通道指令。

   與CPU相比，通道可以執(zhí)行的指令很單一，并且通道程序是放在主機(jī)內(nèi)存中的，也就是說通道與CPU共享內(nèi)存

   • 完成一次讀寫流程：

     

   • CPU干預(yù)的頻率：極低，通道會根據(jù)CPU的指示執(zhí)行相應(yīng)的通道程序，只有完成一組數(shù)據(jù)塊的讀/寫后才需要發(fā)出中斷信號，請求CPU干預(yù)。

   • 數(shù)據(jù)傳送的單位：每次讀/寫一組數(shù)據(jù)塊

   • 數(shù)據(jù)的流向（在通道的控制下進(jìn)行）

     • 讀操作（數(shù)據(jù)輸入）：I/O設(shè)備→內(nèi)存
     • 寫操作（數(shù)據(jù)輸出）：內(nèi)存→I/O設(shè)備

   • 缺點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，需要專門的通道硬件支持

   • 優(yōu)點(diǎn)：CPU、通道、I/O設(shè)備可并行工作，資源利用率很高。

5.1.4 I/O軟件層次結(jié)構(gòu)

為了更好地設(shè)計(jì) I/O 軟件，采用 層次式結(jié)構(gòu) 的 I/O 軟件；

一個(gè)比較合理的層次劃分如上圖所示。整個(gè)I/O軟件可以視為具有4個(gè)層次的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各層次功能如下：

1. 用戶層軟件（產(chǎn)生I/O請求，格式化I/O，SPOOLing）

   實(shí)現(xiàn)了與用戶交互的接口，用戶可直接使用該層提供的、與I/O操作相關(guān)的庫函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行操作。

   用戶層軟件將用戶請求翻譯成格式化的I/O請求，并通過“系統(tǒng)調(diào)用”請求操作系統(tǒng)內(nèi)核的服務(wù)

   

2. 設(shè)備獨(dú)立性軟件（映射；保護(hù)；分塊；緩沖；分配）

   

   設(shè)備獨(dú)立性軟件，又稱設(shè)備無關(guān)性軟件。與設(shè)備的硬件特性無關(guān)的功能幾乎都在這一層實(shí)現(xiàn)。

   • 功能：

     • ① 向上層提供統(tǒng)一的調(diào)用接口（如read/write系統(tǒng)調(diào)用）
     • ② 設(shè)備的保護(hù)
     • ③ 差錯(cuò)處理
     • ④ 設(shè)備的分配與可收

• ⑤ 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)管理

  • ⑥ 建立邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射關(guān)系；根據(jù)設(shè)備類型選擇調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動程序

• 邏輯設(shè)備

  為實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名來請求使用某類設(shè)備；而在系統(tǒng)實(shí)際執(zhí)行時(shí)，必須將邏輯設(shè)備名映射成物理設(shè)備名使用。

  使用邏輯設(shè)備名好處：

• ①增加設(shè)備分配的靈活性

  • ②易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向，指用于I/O操作的設(shè)備可以更換(即重定向)，而不必改變應(yīng)用程序。

  設(shè)備獨(dú)立性軟件需要通過“邏輯設(shè)備表（LUT，Logical Unit Table）”來確定邏輯設(shè)備對應(yīng)的物理設(shè)備，并找到該設(shè)備對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。

  I/O設(shè)備被當(dāng)做一種特殊的文件；不同類型的I/O設(shè)備需要有不同的驅(qū)動程序處理

  操作系統(tǒng)系統(tǒng)可以采用兩種方式管理邏輯設(shè)備表（LUT）：

  • 第一種方式，整個(gè)系統(tǒng)只設(shè)置一張LUT，這就意味著所有用戶不能使用相同的邏輯設(shè)備名，因此這種方式只適用于單用戶操作系統(tǒng)。

• 第二種方式，為每個(gè)用戶設(shè)置一張LUT，各個(gè)用戶使用的邏輯設(shè)備名可以重復(fù)，適用于多用戶操作系統(tǒng)。系統(tǒng)會在用戶登錄時(shí)為其建立一個(gè)用戶管理進(jìn)程，而LUT就存放在用戶管理進(jìn)程的PCB中。

3. 設(shè)備驅(qū)動程序（設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備狀態(tài)）

   與硬件直接相關(guān)，負(fù)責(zé)具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序。 將上層發(fā)出的一系列命令（如read/write）轉(zhuǎn)化成特定設(shè)備“能聽得懂”的一系列操作。

   不同設(shè)備的內(nèi)部硬件特性也不同，這些特性只有廠家才知道，因此廠家須提供與設(shè)備相對應(yīng)的驅(qū)動程序，CPU執(zhí)行驅(qū)動程序的指令序列，來完成設(shè)置設(shè)備寄存器，檢查設(shè)備狀態(tài)等工作。

   為I/O內(nèi)核子系統(tǒng)隱藏設(shè)備控制器之間的差異。

   

   4.中斷處理程序

當(dāng)I/O任務(wù)完成時(shí)，I/O控制器會發(fā)送一個(gè)中斷信號，系統(tǒng)會根據(jù)中斷信號類型找到相應(yīng)的中斷處理程序并執(zhí)行。

• 中斷處理程序的處理流程如下：

  

• 中斷處理層的任務(wù)：

  • 進(jìn)行進(jìn)程上下文的切換，
  • 對處理中斷信號源進(jìn)行測試，
  • 讀取設(shè)備狀態(tài)和修改進(jìn)程狀態(tài)等。

由于中斷處理與硬件緊密相關(guān)，對用戶而言，應(yīng)盡量加以屏蔽，因此應(yīng)放在操作系統(tǒng)的底層，系統(tǒng)的其余部分盡可能少地與之發(fā)生聯(lián)系。

5.硬件

執(zhí)行IO操作，機(jī)械部件、電子部件組成

總結(jié)

說明用戶對設(shè)備的一次命令過程如下所示：

• ①當(dāng)用戶要讀取某設(shè)備的內(nèi)容時(shí)，通過操作系統(tǒng)提供的read命令接口，這就經(jīng)過了用戶層。
• ②操作系統(tǒng)提供給用戶使用的接口，一般是統(tǒng)一的通用接口，也就是幾乎每個(gè)設(shè)備都可以響應(yīng)的統(tǒng)一命令，如read命令，用戶發(fā)出的read命令，首先經(jīng)過設(shè)備獨(dú)立層進(jìn)行解析，然后交往下層。
• ③接下來，不同類型的設(shè)備對read命令的行為會有所不同，如磁盤接收read命令后的行為與打印機(jī)接收read命令后的行為是不同的。因此，需要針對不同的設(shè)備，把read命令解析成不同的指令，這就經(jīng)過了設(shè)備驅(qū)動層。
• ④命令解析完畢后，需要中斷正在運(yùn)行的進(jìn)程，轉(zhuǎn)而執(zhí)行read命令，這就需要中斷處理程序。
• ⑤最后，命令真正抵達(dá)硬件設(shè)備，硬件設(shè)備的控制器按照上層傳達(dá)的命令操控硬件設(shè)備，完成相應(yīng)的功能。

理解：

直接涉及到硬件其體細(xì)節(jié)、且與中斷無關(guān)的操作肯定是在設(shè)備驅(qū)動程序?qū)油瓿傻?#xff1b;

沒有涉及硬件的、對各種設(shè)備都需要進(jìn)行的管理工作都是在設(shè)備獨(dú)立性軟件層完成的。

5.1.4 應(yīng)用程序I/O接口

在I/O系統(tǒng)與高層之間的接口中，根據(jù)設(shè)備類型的不同，又進(jìn)一步分為若干接口。

1. 字符設(shè)備接口

   字符設(shè)備是指數(shù)據(jù)的存取和傳輸是以字符為單位的設(shè)備，如鍵盤、打印機(jī)等?；咎卣魇莻鬏斔俾瘦^低、不可尋址，并且在輸入輸出時(shí)通常采用中斷驅(qū)動方式。

   • 字符設(shè)備的操作

     • get和put操作。由于字符設(shè)備不可尋址，只能采取順序存取方式，通常為字符設(shè)備建立一個(gè)字符緩沖區(qū)，用戶程序通過get操作從緩沖區(qū)獲取字符，通過put操作將字符輸出到緩沖區(qū)。
     • in-control指令。字符設(shè)備類型繁多，差異甚大，因此在接口中提供一種通用的in-control指令來處理它們（包含了許多參數(shù)，每個(gè)參數(shù)表示一個(gè)與具體設(shè)備相關(guān)的特定功能）。

     字符設(shè)備都屬于獨(dú)占設(shè)備，為此接口中還需要提供打開和關(guān)閉操作，以實(shí)現(xiàn)互斥共享。

2. 塊設(shè)備接口

   塊設(shè)備是指數(shù)據(jù)的存取和傳輸是以數(shù)據(jù)塊為單位的設(shè)備，典型的塊設(shè)備是磁盤?；咎卣魇莻鬏斔俾瘦^高、可尋址。磁盤設(shè)備的I/O常采用DMA方式。

   • 隱藏了磁盤的二維結(jié)構(gòu)：在二維結(jié)構(gòu)中，每個(gè)扇區(qū)的地址需要用磁道號和扇區(qū)號來表示。塊設(shè)備接口將磁盤的所有扇區(qū)從0到n-1依次編號，這樣，就將二維結(jié)構(gòu)變?yōu)橐环N線性序列。
   • 將抽象命令映射為低層操作：塊設(shè)備接口支持上層發(fā)來的對文件或設(shè)備的打開、讀、寫和關(guān)閉等抽象命令，該接口將上述命令映射為設(shè)備能識別的較低層的具體操作。
   • 內(nèi)存映射接口：內(nèi)存映射接口通過內(nèi)存的字節(jié)數(shù)組來訪問磁盤，而不提供讀/寫磁盤操作。映射文件到內(nèi)存的系統(tǒng)調(diào)用返回包含文件副本的一個(gè)虛擬內(nèi)存地址。只在需要訪問內(nèi)存映像時(shí)，才由虛擬存儲器實(shí)際調(diào)頁。內(nèi)存映射文件的訪問如同內(nèi)存讀寫一樣簡單，極大地方便了程序員。

3. 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口

   許多操作系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡(luò)I/O接口為網(wǎng)絡(luò)套接字接口，套接字接口的系統(tǒng)調(diào)用使應(yīng)用程序創(chuàng)建的本地套接字連接到遠(yuǎn)程應(yīng)用程序創(chuàng)建的套接字，通過此連接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。

   

4. 阻塞/非阻塞I/O

   • **阻塞I/O：**當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用I/O操作時(shí)，進(jìn)程就被阻塞，需要等待I/O操作完成，進(jìn)程才被喚醒繼續(xù)執(zhí)行。

     eg：字符設(shè)備接口一一從鍵盤讀一個(gè)字符get

   • 非阻塞I/O：用戶進(jìn)程調(diào)用I/O操作時(shí)，不阻塞該進(jìn)程，該I/O調(diào)用返回一個(gè)錯(cuò)誤返回值，通常，進(jìn)程需要通過輪詢的方式來查詢I/O操作是否完成。

     eg：塊設(shè)備接口一一往磁盤寫數(shù)據(jù)write

5.1.5 本節(jié)小結(jié)

I/O管理要完成哪些功能？

I/O管理需要完成以下4部分內(nèi)容：

1. 狀態(tài)跟蹤。要能實(shí)時(shí)掌握外部設(shè)備的狀態(tài)。
2. 設(shè)備存取。要實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的存取操作。
3. 設(shè)備分配。在多用戶環(huán)境下，負(fù)責(zé)設(shè)備的分配與回收。
4. 設(shè)備控制。包括設(shè)備的驅(qū)動、完成和故障的中斷處理。

錯(cuò)題總結(jié)或者需要注意的點(diǎn)

1.共享設(shè)備必須是可尋址和可隨機(jī)訪問的設(shè)備

2.共享設(shè)備是指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問的設(shè)備，而不是同一時(shí)刻

3.虛擬設(shè)備是指，把一個(gè)物理設(shè)備變換成多個(gè)對應(yīng)的邏輯設(shè)備

4.設(shè)備控制器通常需要提供：控制寄存器，狀態(tài)寄存器和控制命令

5.在OS中，通道技術(shù)是一種硬件機(jī)制

6.通道控制設(shè)備控制器，設(shè)備控制器控制設(shè)備工作

7.向設(shè)備寄存器的寫命令是在I/O軟件中的設(shè)備驅(qū)動程序完成的

8.中斷驅(qū)動方式：

? 處理中斷請求：一旦確定了中斷源，中斷處理程序就會執(zhí)行與該中斷源相關(guān)聯(lián)的特定代碼。這可能包括讀取設(shè)備的狀態(tài)寄存器、從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)或向設(shè)備寫入數(shù)據(jù)、更新系統(tǒng)的狀態(tài)或執(zhí)行其他必要的操作。