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【计算机操作系统】第六章、操作系统中的输入输出系统

news 来源：原创 2025/6/15 5:29:15

前言

在计算机科学的世界里，操作系统无疑扮演着核心的角色，它就像是计算机的“大脑”，负责协调硬件资源和软件应用之间的交互。而在操作系统的诸多功能中，输入输出（I/O）系统是其中最为复杂且与硬件密切相关的部分。今天，就让我们深入探讨一下 I/O 系统的奥秘，从理论出发，结合实际案例，帮助大家更好地理解和掌握这些知识点。

一、I/O 系统的功能：让设备动起来

I/O 系统是操作系统的四大管理功能之一，它的主要任务是管理各种外部设备。由于计算机外部设备的类型繁多、差异很大，I/O 系统也因此变得极为复杂。那么，I/O 系统究竟有哪些功能呢？

（一）方便使用

I/O 系统的第一个功能是方便用户使用。它通过隐藏物理设备的细节，让用户可以通过简单的几条命令来操作设备。例如，用户可以通过逻辑设备名来访问物理设备，而不需要关心设备的具体物理细节。这种与设备无关性大大简化了用户的操作。

（二）提高 CPU 和 I/O 设备利用率

I/O 系统的第二个功能是提高 CPU 和 I/O 设备的利用率。它通过提高 I/O 访问效率，匹配 CPU 和多种不同处理速度的外设，使得处理器和 I/O 设备能够并行操作。例如，当 CPU 在处理数据时，I/O 设备可以同时进行数据传输，从而提高了系统的整体效率。

（三）共享和错误处理

I/O 系统的第三个功能是对不同类型的设备进行统一管理，协调对设备的并发使用。当发生错误时，I/O 系统会进行处理，尽量避免将错误传递给高层软件。例如，如果一个设备在使用过程中出现故障，I/O 系统会尝试自动恢复，或者将错误记录下来，以便后续分析。

二、I/O 系统的层次结构：分层管理，高效运行

I/O 系统的复杂性不仅体现在其功能上，还体现在其层次结构上。I/O 系统通常分为以下几个层次：

（一）用户进程层

用户进程层是 I/O 系统的最外层，它实现了与用户的交互接口，执行输入输出系统调用，对 I/O 数据进行格式化，并为假脱机（Spooling）输入输出作准备。例如，当用户在终端上输入命令时，用户进程层会将这些命令转换为系统能够理解的形式，并进行相应的处理。

（二）独立于设备的软件

独立于设备的软件是 I/O 系统的核心部分，它实现了用户程序与设备驱动器之间的统一接口。它的主要任务是实现所有设备都需要的功能，并向用户提供一个统一的接口。例如，它负责设备的命名、保护、成块处理、缓冲技术和设备分配等。

（三）设备驱动程序

设备驱动程序是 I/O 系统与硬件直接相关的部分，它对设备发出操作命令，设置设备寄存器，并检查设备的执行状态。每个设备都有一个对应的设备驱动程序，负责与该设备进行通信。例如，当用户请求读取磁盘上的数据时，设备驱动程序会向磁盘控制器发送读取命令，并等待数据返回。

（四）中断处理程序

中断处理程序是 I/O 系统的重要组成部分，它负责处理设备产生的中断信号。当中断发生时，中断处理程序会保护现场，转设备驱动程序进程进行中断处理，I/O 完成后，恢复现场，返回被中断的进程。例如，当磁盘数据读取完成后，磁盘控制器会发出一个中断信号，中断处理程序会响应这个信号，完成数据的传输。

（五）硬件层

硬件层是 I/O 系统的最底层，它实现了物理 I/O 的操作。硬件层包括各种外部设备和设备控制器，负责实际的数据传输和设备操作。例如，磁盘控制器会根据设备驱动程序的命令，从磁盘上读取数据，并将其传输到内存中。

三、I/O 设备和设备控制器：设备的“大脑”和“手脚”

I/O 设备是计算机系统中用于输入和输出数据的硬件设备，而设备控制器则是控制这些设备的“大脑”。设备控制器是一个可编址的设备，它接收 CPU 发来的命令，控制设备进行数据传输，并向 CPU 报告设备的状态。

（一）I/O 设备的分类

I/O 设备可以根据不同的标准进行分类：
按交互对象分类：人机交互设备（如键盘、鼠标）、与计算机或其他电子设备交互的设备（如磁盘、网卡）以及计算机间的通信设备（如网卡、调制解调器）。
按交互方向分类：输入设备（如键盘）、输出设备（如打印机）以及输入/输出设备（如磁盘、网卡）。
按外设特性分类：使用特征（如存储、输入/输出、终端）、数据传输率（如低速、中速、高速）以及信息组织特征（如字符设备、块设备）。
按设备的共享属性分类：独占设备（如打印机）、共享设备（如磁盘）以及虚拟设备（如 SPOOLing 系统中的虚拟打印机）。

（二）设备控制器的功能

设备控制器的主要功能包括：
接收和识别命令：接收 CPU 发来的读写指令，并识别这些指令。
数据交换：在 CPU 与控制器、控制器与设备之间进行数据交换。
设备状态标识和报告：记录设备状态，并向 CPU 报告设备的状态。
地址识别：根据设备地址和寄存器地址，找到相应的设备。
数据缓冲：缓冲外设和内存、CPU 数据交换时速度不匹配带来的问题。
差错控制：在设备传给 CPU 数据时，进行差错检查。

四、中断处理程序：处理设备的“紧急信号”

中断是 CPU 对 I/O 设备发来的中断信号的一种响应。当中断发生时，CPU 会暂停正在执行的程序，保存现场，转去执行相应的中断处理程序，完成后返回断点，继续执行。

（一）中断的类型

中断可以分为内中断和外中断：
内中断：由 CPU 内部事务引起的中断，如非法指令、地址越界等。
外中断：由 I/O 设备引起的中断，如设备完成操作后发出的中断请求。

（二）中断处理过程

中断处理过程包括以下几个步骤：
检查中断信号：CPU 检查是否有中断信号到来。
保护现场：保存当前程序的状态，包括程序计数器、寄存器等。
转中断处理程序：根据中断向量表，找到对应的中断处理程序并执行。
恢复现场：中断处理完成后，恢复被中断程序的状态，返回继续执行。

（三）中断优先级和中断屏蔽

中断优先级：不同的中断请求信号有不同的处理优先级别，系统可以根据紧急程度进行处理。
中断屏蔽：在处理一个中断时，可以屏蔽其他中断信号，以避免中断嵌套。

五、设备驱动程序：设备的“翻译官”

设备驱动程序是 I/O 系统高层进程与控制器之间的通信程序，它负责将上层软件的抽象命令转换为具体的硬件操作命令，并将设备控制器的信号传送给上层软件。

（一）设备驱动程序的功能

接收命令和参数：接收由设备无关软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求。
检查请求合法性：检查用户的 I/O 请求是否合法，并了解设备的工作状态。
发出 I/O 命令：如果设备空闲，立即启动 I/O 设备完成操作；如果设备忙碌，则将请求挂在设备队列上等待。
响应中断信号：响应设备控制器发来的中断信号，调用中断处理程序。

（二）设备驱动程序的特点

与硬件密切相关：设备驱动程序与设备控制器和 I/O 设备的硬件特性紧密相关，因此对不同类型的设备需要配置不同的驱动程序。
与 I/O 控制方式相关：设备驱动程序与 I/O 设备所采用的 I/O 控制方式（如中断、DMA）紧密相关。
部分代码用汇编语言编写：由于设备驱动程序与硬件紧密相关，其中的一部分必须用汇编语言书写。
允许可重入：设备驱动程序应允许可重入，即一个正在运行的驱动程序可以在运行完之前再次被调用。

六、对 I/O 设备的控制方式：不同的“指挥棒”

I/O 设备的控制方式决定了 CPU 与 I/O 设备之间的交互方式。常见的控制方式包括：

（一）程序 I/O 方式

程序 I/O 方式是由程序发起 I/O 操作，并等待操作完成。数据的每次读写通过 CPU，CPU 循环测试外设的完成状态。这种方式的缺点是 CPU 在外设进行数据处理时只能等待，效率较低。

（二）中断驱动 I/O 控制方式

中断驱动 I/O 控制方式是由程序发起 I/O 操作，在操作完成时由外设向 CPU 发出中断。数据的每次读写通过 CPU，但 CPU 不必等待外设完成操作，可以继续执行其他程序。这种方式的优点是 CPU 的利用率较高，但缺点是每次处理的数据量较少，只适用于数据传输率较低的设备。

（三）DMA（直接存储器访问）方式

DMA 方式允许数据直接在设备和内存之间传输，而不需要 CPU 的干预。这种方式的传输单位是数据块，数据从设备直接送到内存或相反。DMA 方式的工作流程如下：
设置 AR 和 DC 初值：设置内存地址寄存器和数据计数器的初始值。
启动 DMA 传送命令：启动 DMA 传输。
挪用存储器周期传送：在 CPU 继续执行用户程序的同时，DMA 控制器完成数据传输。
请求中断：传输完成后，DMA 控制器向 CPU 发出中断请求。

（四）I/O 通道控制方式

I/O 通道是一种特殊的处理机，它具有执行 I/O 指令的能力，并通过执行通道程序来控制 I/O 操作。I/O 通道方式是 DMA 方式的发展，它可进一步减少 CPU 的干预，提高系统的效率。常见的通道类型包括：
字节多路通道：允许多个低速设备共享一个通道。
数组选择通道：适用于连接多台高速设备，但每次只能控制一台设备。
数组多路通道：结合了字节多路通道和数组选择通道的特点，具有较高的传输速率和并行操作能力。

七、设备分配：合理使用外设

设备分配是操作系统对进程使用外设过程的管理。设备分配的目标是合理使用外设，提高设备利用率，同时避免死锁。

（一）设备分配中的数据结构

设备分配涉及多个数据结构，包括：
设备控制表（DCT）：每个设备一张，描述设备的特性和状态。
控制器控制表（COCT）：每个设备控制器一张，描述 I/O 控制器的配置和状态。
通道控制表（CHCT）：每个通道一张，描述通道的工作状态。
系统设备表（SDT）：系统内一张，反映系统中设备资源的状态。

（二）设备分配原则

设备分配的原则包括：
独占设备：如打印机等，一次只能被一个进程使用。
共享设备：如磁盘、网卡等，可以被多个进程共享。
静态分配：在进程创建时分配，在进程退出时释放，不会出现死锁，但设备利用率较低。
动态分配：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后释放，需要考虑死锁问题，但有利于提高设备利用率。

（三）设备独立性

设备独立性是指应用程序独立于具体使用的物理设备。通过引入逻辑设备和物理设备的概念，应用程序可以使用逻辑设备名称来请求使用某类设备，而系统在实际执行时会将逻辑设备名称转换为物理设备名称。设备独立性的好处包括：
设备分配的灵活性：多台相同设备可以灵活选择，物理设备更新不会对用户程序造成影响。
易于实现 I/O 重定向：使用的设备可以更换，不需要改变应用程序。

（四）SPOOLing 技术

SPOOLing 技术是一种假脱机操作技术，它通过在磁盘上设置输入井和输出井，将独占设备改造为共享设备。SPOOLing 系统的组成包括：
输入进程：将输入设备上的数据传送到输入井。
输出进程：将输出井中的数据传送到输出设备。
输入缓冲区和输出缓冲区：用于暂存数据。
SPOOLing 技术的特点包括：
提高 I/O 速度：数据放入高速的磁盘中作为缓冲。
将独占设备改造为共享设备：对独占设备的操作变成了数据放入磁盘中，排队等待。
实现虚拟设备功能：虽然独占设备变成了共享设备，但从每个使用进程的角度看，还是自己独占使用。

八、缓冲区管理：平滑速度差异

缓冲区管理是 I/O 系统中的一个重要组成部分，它通过设置缓冲区来平滑 CPU 和 I/O 设备之间的速度差异，提高系统的效率。

（一）缓冲的引入

缓冲区可以缓和 CPU 与 I/O 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 中断响应时间的限制，提高 CPU 和 I/O 设备之间的并行性。

（二）单缓冲和双缓冲

单缓冲：使用一个缓冲区，系统处理数据的时间可以是 M+T 或 M+C。
双缓冲：使用两个缓冲区，系统处理数据的时间可以粗略为 Max（C，T）。

（三）循环缓冲

当输入和输出的速度基本匹配时，双缓冲的效果较好，但当二者速度相差甚远时，双缓冲的效果就不理想了。此时可以增加缓冲区数量，将多个缓冲区组成环形形式，形成循环缓冲。循环缓冲的工作方式包括：
Getbuf 过程：得到需要的缓冲区，并移动相应的指针。
Releasebuf 过程：释放缓冲区，修改缓冲区状态。

（四）缓冲池

缓冲池是公用缓冲区的一种形式，它包含一组缓冲区和对它们进行管理的数据结构及操作函数。缓冲池的工作方式包括：
收容输入：调用 Getbuf（emq）得到空缓冲区，输入数据后调用 Putbuf（inq）。
提取输入：调用 Getbuf（inq）得到装满数据的缓冲区，提取数据后调用 Putbuf（emq）。
收容输出：调用 Getbuf（emq）得到空缓冲区，输出数据后调用 Putbuf（outq）。
提取输出：调用 Getbuf（outq）得到装满数据的缓冲区，提取数据后调用 Putbuf（emq）。

九、磁盘存储器：数据的“仓库”

磁盘存储器是计算机系统中用于存储数据的重要设备。磁盘的性能直接影响系统的数据处理速度，因此磁盘调度算法的选择至关重要。

（一）磁盘性能简述

磁盘的结构：磁盘可以包括一个或多个盘片，每片有两个面，每个面有若干条磁道，每条磁道有若干个扇区。
磁盘的类型：包括固定磁头磁盘和移动磁头磁盘。
磁盘访问时间：包括寻道时间、旋转延迟时间和传输时间。

（二）磁盘调度算法

当多个进程都要访问磁盘时，需要选择一种调度算法，使访问磁盘的时间最小。常见的磁盘调度算法包括：
先来先服务（FCFS）：简单、公平，但未对寻道优化，平均寻道时间可能较长。
最短寻道时间优先（SSTF）：选择离当前磁头最近的磁道进行访问，但可能导致某些进程发生“饥饿”现象。
扫描（SCAN）算法：磁头沿一个方向移动，到达磁盘的一端后，再沿另一个方向移动，类似于电梯调度。
循环扫描（CSCAN）算法：磁头只按一个方向循环移动，避免了某些进程的“饥饿”现象。
N-Step-SCAN 算法：将磁盘请求队列分成若干个长度为 N 的子队列，按 SCAN 算法处理每个子队列，避免了“磁臂粘着”现象。
FSCAN 算法：将磁盘请求队列分成两个子队列，一个由当前所有请求磁盘 I/O 的进程形成的队列，另一个是新出现的请求队列，避免了新请求的延迟。