I/O

I/O

可以将数据输入到计算机，或者可以接收计算机输出的外部设备，属于计算机中的硬件部件

按使用特性分类：

• 人机交互类外部设备：数据传输速度慢，如鼠标、键盘、打印机

• 存储设备：数据传输速度快 ，如移动硬盘、光盘

• 网络通信设备：数据传输速度介于以上二者之间，如调制解调器

按传输速率分类：

• 低速设备：如鼠标、键盘等

• 中速设备：如激光打印机等

• 高速设备：如磁盘等

按信息交换单位：

（数据传输的基本单位）

• 块设备：传输速率较高，可寻址，如硬盘等

• 字符设备：传输速率较慢，不可寻址，输入输出时常采用中断驱动方式，如鼠标、键盘等

I/O设备：

• 机械部件：主要用来执行具体的I/O操作

• 电子部件：通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板

CPU通过控制I/O控制器，又由I/O控制器来控制设备的机械部件

控制器中寄存器的编址方式：

• 内存映像I/O：寄存器占用内存地址一部分（寄存器与内存地址统一编址）

  优：简化了指令

• 寄存器独立编址：I/O专用地址（控制器中的寄存器使用单独的地址）

  缺：需要设置专门的指令来实现控制器的操作，不仅要指明寄存器的地址，还要指明控制器的编号

I/O控制方式：

• 程序直接控制：

  • CPU干预频率很频繁，I/O操作开始前、后及等待完成的过程中需要不断轮询检查

  • 每次读写一个字

  • 优： 实现简单

  • 缺：CPU与I/O设备只能串行工作，CPU需要一直轮询检查，长期处于忙等状态；CPU利用率低

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• 中断驱动：

  • I/O操作开始前、后需要CPU介入；等待I/O完成的过程中CPU可以切换到别的进程执行

  • 每次读写一个字

  • 优：CPU与I/O设备可并行工作；CPU利用率得到明显提升

  • 频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间

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• DMA（直接存储器存取）：

  • 数据传输单位是块

  • 数据流向不需要CPU干预

  • 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预

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• 通道（硬件）控制：

  一个通道可以控制多个设备控制器，一个设备控制器可以控制多个设备

  • 通道程序放在主机内存中

  • 每次读写一组数据块

  • 数据流向不需要经过CPU

  • 只有完成一组数据块的读写后才需要发出中断信号，请求CPU干预

  • 优：CPU、通道、I/O设备并行工作，资源利用率高

  • 缺：实现复杂，需要专门的通道硬件支持

I/O软件层次：

• 用户层软件：假脱机技术（SPOOLing技术）（缓解设备与CPU的速度矛盾）：将独占式设备改造成共享设备

• 设备独立性软件：I/O调度、设备保护

• 设备驱动程序

• 中断处理程序

• 硬件

设备分配：

• 安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O设备完成后才将其唤醒

  一个时间段内每个进程只能使用一个设备

  • 优：不会死锁（破坏了请求和保持条件）

  • 缺：对于一个进程来说，CPU和I/O设备只能串行工作

• 不安全分配方式：进程I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求，只有某个I/O请求得不到满足时才将其进程阻塞

  一个进程可以同时使用多个设备

  • 优：进程的计算任务和I/O任务可以并行处理，使进程迅速推进

  • 缺：有可能发生死锁

• 静态分配：进程运行前为其分配所需的全部资源运行结束后归还资源（破坏了请求和保持，不会发生死锁）

• 动态分配方式：进程运行过程中动态申请设备资源

缓冲区

使用硬件作缓冲区的成本较高，容量也较小；一般情况下，更多的是利用内存作为缓冲区

作用：

• 缓和CPU和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中断相应时间的限制

• 解决数据粒度不匹配问题

• 提高CPU与I/O设备之间的并行性

当缓冲区非空时，不能往缓冲区冲入数据，只能从缓冲区把数据传出；当缓冲区为空时，可以往缓冲区冲入数据，但必须把缓冲区充满后，才能从缓冲区把数据传出

T设备，M缓冲区，C工作区

• 单缓冲：处理一块数据平均耗时MAX(C,T)+M

• 双缓冲：处理一块数据平均耗时MAX(C+M,T)

• 循环缓冲

• 缓冲池：系统中共用的缓冲区组成