重生之我是操作系统(十)----I/O管理

简介

操作系统的I/O管理(input/output mannagment)是协调，控制计算机与外部设备(如磁盘，键盘，网络接口)等之间数据交换的核心功能。实现可靠高效且统一(隐藏设备差异，如磁盘、串口、网卡的硬件特性)的设备访问

前几章讲述的CPU管理，内存管理，文件管理。都是在计算机主机内部进行的操作。

而I/O管理是对外部设备进行操作。这中间一定会有一层"抽象"层

I/O控制器

CPU无法直接控制I/O设备的机械部分(比如硬盘的磁臂，显示器的灯珠等)，因此I/O设备还要有一个电子设备作为"中转"，由I/O设备提供给CPU，实现CPU对I/O设备的控制。这个设备叫做I/O控制器

I/O控制器需要有如下几个功能

1. 接受和识别CPU发出的指令
   
   解析CPU发送的I/O指令，转化为设备可识别的操作，比如磁盘的寻址，扇区读写。

2. 向CPU报告设备状态
   
   I/O控制器中会有相应的状态寄存器，来表示设备状态。忙碌or空闲

3. 数据交互

4. 地址识别

以CPU向I/O设备输出数据为例子：

1. CPU通过控制线向I/O控制器发送指令，并在地址线上说明要操作哪一个设备。
2. CPU通过数据总线，得出I/O控制器的状态，假定状态空闲。
3. CPU通过数据总线，将指令的参数放入控制寄存器。随后从后者取值
4. CPU通过数据总线，输出数据到数据寄存器。随后从后者取值。
5. 与设备进行交互。

I/O控制方式

I/O控制方式主要有四种：

1. 程序直接控制方式（Programmed I/O, Polling）
   
   原理：cpu通过不断轮询，查询状态寄存器。直到设备ready。
   
   优点：无需硬件中断，实现简单。
   
   缺点：性能浪费，CPU空转。

场景：单片机电路开关，LED指示灯。

1. 中断驱动 I/O 方式（Interrupt-Driven I/O）
   
   原理：CPU发送I/O请求后执行其它任务，I/O设备就绪时主动向CPU发送中断信号，触发CPU暂停当前任务，转为处理I/O中断。
   
   优点：提高CPU利用率，且提高响应(鼠标移动)
   
   缺点：中断每次都需要保存/恢复上下文。高频中断会导致CPU效率降低。

场景：鼠标、键盘、打印机等设备运行

1. 直接内存访问方式(Direct Memory Access,DMA)
   
   原理：通过专用的DMA控制器代替数据总线，直接在设备与内存之间传输数据，无需CPU干预。CPU仅仅在传输开始前配置DMA参数，传输完成后处理中断。
   
   优点：CPU利用率接近100%，仅处理启动和完成中断。
   
   缺点：需要硬件支持(DMAC)，且多个设备可能有竞争。如果CPU要读写离散的多个数据，需要发出多条I/O指令，无法做到多路复用。

场景：磁盘、SSD、网卡（需传输大量数据，如 GB 级文件读写）。显卡通过 DMA 直接访问内存帧缓冲区，提升图像渲染效率

与中断驱动相比，DMA的传输单位变为了"block"，不再是一个字一个字的传输

数据直接与内存交互，不再需要CPU作为快递小哥传输

1. 通道控制方式（Channel I/O）
   
   原理：引入独立于CPU的I/O通道处理器，专门负责处理 I/O 指令和设备通信。通道可执行专用的 “通道程序”，控制多个设备的并发操作，相当于一个弱鸡版的CPU
   
   优点：解放CPU，无需CPU处理。一次性处理多条数据，多路复用。
   
   缺点：成本极高，需要专用硬件。生态欠缺，需要依赖硬件厂商编写驱动程序。

场景：大型机、数据中心服务器（同时处理磁盘I/O ，网络I/O）。

特性	程序直接控制	中断驱动	DMA	通道控制
CPU参与度	全程参与（轮询）	仅处理中断	仅配置/收尾	仅发起请求
数据传输方式	CPU直接读写	CPU通过控制器读写	DMA控制器直接读写内存	通道处理器独立控制
适用设备	低速简单设备	中速交互式设备	高速块设备（磁盘、网卡）	多设备高并发（大型机）
CPU利用率	极低	中等	高	接近100%
典型场景	嵌入式传感器	键盘、打印机	磁盘文件读写	大型机数据中心
硬件依赖	无	中断控制器	DMA控制器	专用通道处理器
传输单位	字	字	块	一组块

I/O软件的层次结构

在操作系统中，I/O 软件层次结构通过分层设计将复杂的输入输出功能解耦，实现硬件无关性、模块化和高效管理。

1. 硬件层
   
   执行具体操作，比如磁盘寻道，数据读写；生产中断信号；处理设备与内存之间的数据传输(DMA)。
2. 中断处理程序
   
   响应中断；保存/恢复现场；通知驱动设备，比如数据就绪or错误。
3. 设备驱动程序
   
   设备初始化；命令转换；I/O请求调度；状态监控
4. 与设备无关的 I/O 层
   
   提供设备无关接口，比如通过文件描述符将设备视为“文件”，比如VFS系统;设备分配与回收；错误处理；缓冲区管理；元数据管理；
5. 用户层 I/O 软件
   
   将系统调用封装为库函数;假脱机，多任务环境下，将独占设备模拟为共享设备，比如通过磁盘缓冲区实现打印机的多任务排队。

假脱机技术，又称“SPOOling技术”，全程Simultaneous Peripheral Operations On-Line。是操作系统用于将独占设备虚拟为共享设备的核心技术，通过磁盘作为中间缓冲区，使得多个进程能并发访问独占设备，提高系统利用率。

设备的分配与回收

根据设备的使用方式，设备分为3类：

1. 独占设备
   
   同一时间只能被一个进程占用，采用 静态或动态分配，分配后独占直到释放。
2. 共享设备
   
   允许多个进程并发访问（通过分时或调度），采用 动态分配，效率高但需调度算法
3. 虚拟设备
   
   通过磁盘缓冲区将独占设备模拟为共享设备，分配的是缓冲区资源而非物理设备本身

为了安全，高效的使用这些设备，分配设备时，需要遵循如下几个目标：

1. 资源利用率最大化
   
   减少设备空闲时间，避免CPU忙等或阻塞
2. 避免死锁
3. 公平性与优先级
   
   平衡各个进程之间的需求，优先处理高优先级任务。比如同时发生鼠标移动事件与打印机打印事件，孰轻孰重要拎得清。

设备的数据结构

1. 设备控制表(DCT)
   
   每个物理设备一张表，记录设备类型，状态，当前占用进程，阻塞进程队列。
2. 控制器控制表(COCT)
   
   记录控制器状态，对应通道的指针，等待队列。
3. 通道控制表(CHCT)
   
   记录通道状态及分配情况（通道是控制外设与内存数据传输的硬件部件，需与控制器、设备配合使用）
4. 系统设备表(SDT)
   
   全局表，列出系统所有设备的基本信息（类型、标识符、驱动程序入口等）

设备的分配策略

从分配方式来说，可以分为两种：

1. 静态分配
   
   原理：在进程启动前分配所有所需设备及相关资源(比如控制器，通道)，进程结束后统一回收。
   
   优点：简单，不会死锁。
   
   缺点：利用率低，进程很有可能"占着茅坑不拉屎"。

2. 动态分配
   
   原理：进程运行时按需申请设备，使用完毕后立即释放。
   
   优点：提高设备利用率。
   
   缺点：可能因资源竞争导致死锁。

演化与内存分配方式的演化是一个套路，因此对于分配算法不再介绍，先来先服务，优先级高有限等等。都是一个思路。

对于一个设备，他被调用时，分配流程如下。

1. 请求设备
   
   进程通过系统调用（如open()）申请设备，指定设备类型或逻辑名（设备无关性）
2. 检索数据结构
   
   操作系统根据逻辑设备名/物理设备名找到SDT，再根据SDT找到DCT，若设备忙则将PCB挂到设备等待队列中，不忙则将设备分配给进程。
   
   然后根据DCT找到COCT，若控制器忙则将PCB挂到控制器等待队列中，不忙则将控制器分配给进程。
   
   然后根据COCT找到CHCT，若通道忙则将PCB挂到通道等待对流中，不忙则将通道分配给进程。

只有设备，控制器，通道 三个都分配成功时，这次设备分配才算成功，之后才能对I/O设备进行操作。

缓冲区管理

为什么需要缓冲区？

1. 主要是为了缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
   
   CPU 处理速度远快于磁盘 I/O，缓冲区暂存数据可减少 CPU 等待外设的时间
2. 减少中断次数
   
   批量数据传输，将多个数据块积攒起来，一次性写入到磁盘，降低CPU处理中断的频率。
   
   如果是字符型设备，每输出一个字符就要向CPU发送一次中断信号
3. 解决数据颗粒度不匹配的问题
   
   外设以块为单位传输，CPU 以字节为单位处理，缓冲区作为数据转换的中间层
   
   

缓冲区类型

1. 单缓冲
   
   原理：仅在内存中开辟一个缓冲区，CPU与I/O共享此缓冲区。
   
   缺点：因为共享的缘故，CPU与I/O设备需串行工作，效率比较低
   
   

2. 双缓冲
   
   原理：两个缓冲区（缓冲区 A 和 B）。CPU与I/O各自独占。
   
   优点：实现 CPU 与外设的双向并行，提升效率。
   
   缺点：仅适用于双向数据传输且数据量均衡的场景，否则就会出现一方等待另一方的现象。
   
   

3. 循环缓冲区
   
   原理：多个固定大小的缓冲区连城环形队列，通过in/out指针管理，写指针指向可用缓冲区，读指针指向待处理缓冲区
   
   

本质上就是环形数组

1. 缓冲池
   
   原理：多个共享缓冲区组成的池，按用途分为不同队列（如空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列）。