操作系統（七）| 設備管理-- 端口驅動程序基本I/O控制磁盤I/O

文章目錄

1 設備管理概述
- 1.1 系統總線結構
- 1.2 設備控制器通用結構
- 1.3 I/O設備的模型
2 I/O端口
- 2.1 尋址方式
3 驅動程序
4 基本I/O控制方式
- 4.1 程序直接控制
- 4.2 中斷I/O方式
- 4.3 DMA方式
- 4.4 I/O通道控制方式
5 I/O管理中的重要思想
- 5.1 設備獨立性
- 5.2 SPOOLing技術
- 5.3 I/O軟件的多層模型
6 磁盤I/O
- 6.1 磁盤調度算法
- - 6.1.1 先來先服務 FCFS
  - 6.1.2 最短尋道時間優先 SSTF
  - 6.1.3 掃描算法電梯調度算法 SCAN
  - 6.1.3 循環掃描 C-SCAN
  - 6.1.4 N-Step-SCAN
  - 6.1.5 FSCAN
- 6.2 其他磁盤I/O性能的改善

1 設備管理概述

1.1 系統總線結構

系統總線上傳輸的信息有——數據地址其他控制狀態定時信號

系統總線其實有幾類

如下圖 CPU總線存儲器總線和I/O總線

在這里插入圖片描述

其中北橋芯片組把處理器和存儲器分成了兩個總線

南橋芯片連接在I/O總線上

I/O總線上連著眾多的I/O設備

當然I/O總線和I/O設備之間通過設備管理器進行連接控制

那么設備管理器的結構是怎樣的呢？

1.2 設備控制器通用結構

在這里插入圖片描述

控制不同的外設需要不同的設備控制器，將系統總線和設備側的接口連在一起

1.3 I/O設備的模型

對于外部設備而言，他們的設備如下

在這里插入圖片描述

2 I/O端口

I/O設備中非常重要的一部分就是外設寄存器（也叫做I/O端口，下文我們都叫做I/O端口了）（存儲著設備狀態，數據等）

控制需要了解外設寄存器值，讀取數據也是從相應的寄存器值讀取

I/O端口通常包括：控制寄存器、狀態寄存器和數據寄存器三大類

所以這里就牽扯出一個問題，CPU下達指令讀或寫某個I/O端口（寄存器），需要知道那個寄存器在哪里，也就是說寄存器的地址是什么，這就涉及到I/O端口的編址以及尋址

2.1 尋址方式

統一編址方式（內存映射方式）

與主存空間統一編址，主存單元和I/O端口在同一個地址空間

獨立編址方式（特殊I/O指令方式）

單獨編號，不和主存單元一起編，使成為一個獨立的I/O地址空間，例如Intel處理器

3 驅動程序

控制外設進行輸入輸出的底層I/O軟件是驅動程序，由設備生產商制作，包括設備控制器中有哪些用戶可以訪問的寄存器、控制狀態寄存器的每一位的含義，通信協議等等

驅動程序通過訪問 I/O端口控制外設進行I/O

? 比如讀取控制命令送到控制寄存器來啟動外設工作

? 讀取狀態寄存器了解外設和設備控制器的狀態

? 訪問數據緩沖寄存器進行數據的輸入和輸出

實現這種訪問操作是通過I/O操作完成的，他是一種特權指令

4 基本I/O控制方式

有如下四種

4.1 程序直接控制

? 程序查詢I/O方式

原理由CPU負責直接控制I/O操作，不涉及中斷或DMA（Direct Memory Access）。

方法

計算機從外部設備讀取數據到存儲器，每次讀一個字的數據。對讀入的每個字， CPU 需要對外設狀態進行循環檢查，直到確定該字已經在I/0 控制器的數據寄存器中

優點簡單、易于實現。

缺點

在程序直接控制方式中，由于CPU 的高速性和I/0設備的低速性，致使CPU 的絕大部分時間都處于等待I/0 設備完成數據I/0 的循環測試中，造成了CPU 資源的極大浪費。在該方式中， CPU 之所以要不斷地測試I/0 設備的狀態，就是因為在CPU 中未采用中斷機構，使I/0 設備無法向CPU報告它已完成了一個字符的輸入操作。

4.2 中斷I/O方式

? 中斷I/O方式

原理設備在完成操作后發出中斷信號，通知CPU進行數據傳輸。

方法

中斷驅動方式的思想是，允許I/0 設備主動打斷CPU 的運行并請求服務，從而“解放"CPU, 使得其向I/0 控制器發送讀命令后可以繼續做其他有用的工作。

優點： 提高CPU利用率，減少了對CPU的占用。

缺點

中斷方式在一些情況下可以提高CPU利用率，但在一些情況下，字符式設備，其中斷頻率太高，來回切換的話也會耗費處理機較多時間

核心是因為什么？

是因為上面兩種方式都需要經過CPU處理？

什么叫經過CPU處理

是外設輸入數據流大概是這樣的：【外圍設備->I/O控制器的數據寄存器->CPU寄存器->存儲器】，這就叫經過CPU，或者說傳輸數據的過程需要CPU的干預

于是引出了下面的DMA(直接在I/O設備和內存之間建立數據通路)

4.3 DMA方式

磁盤等高速外設設備所用的方式

原理

? 基本思想在高速外設和主存間直接傳送數據

? 由專門硬件**（即DMA控制器）**控制總線進行傳輸，注意這里不是CPU了

方式

基本單位是數據塊（前面是一個字）。
所傳送的數據，是從設備直接送入內存的，或者相反。
僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需CPU 干預，整塊數據的傳送是在DMA控制器的控制下完成的。

優點大大減輕了CPU的負擔，提高了數據傳輸速率。

**缺點需要額外的硬件支持，復雜度較高。

如何進一步提高資源利用率呢？當然是請更牛逼的通道，將苦逼的CPU盡可能的從累活中解放出來。

4.4 I/O通道控制方式

原理使用專門的I/O通道控制器，它獨立于CPU和主存儲器，負責管理多個設備的I/O操作

方式

I/0 通道是指專門負責輸入／輸出的處理機。I/O通道方式是DMA方式的發展，它可以進一步減少CPU的干預，即把對一個數據塊的讀（或寫）為單位的干預，減少為對一組數據塊的讀（或寫）及有關控制和管理為單位的干預。同時，又可以實現CPU、通道和I/0 設備三者的并行操作，從而更有效地提高整個系統的資源利用率。

優點： 高度并行化的數據傳輸，減少了對CPU的占用。

缺點： 需要更復雜的硬件支持，成本較高。