> For the complete documentation index, see [llms.txt](https://aye10032.gitbook.io/os/llms.txt). Markdown versions of documentation pages are available by appending `.md` to page URLs; this page is available as [Markdown](https://aye10032.gitbook.io/os/di-wu-zhang-shu-ru-shu-chu-io-guan-li/5.2-io-he-xin-zi-xi-tong.md). # 5.2 I/O核心子系统 ## 5.2.1 I/O调度 用某个算法来确定满足I/O请求的顺序。例如FCFS、SCAN、C-LOOK等等。 与之前的调度算法别无二致。 ## 5.2.2 I/O保护 由于在UNIX系统中，设备一般是看作一种特殊的文件，因此对于设备的保护与对文件的保护一致，通过在FCB中记录相关的访问权限信息来进行设备访问保护。 ## 5.2.3 假脱机技术 **脱机技术**：**脱离主机的控制进行的输入/输出操作**。 利用磁带实现的脱机技术：在输入输出时，使用专门的输入输出设备从磁带中读/写信息。之后再由CPU高速的从磁带中读/写数据。 **假脱机技术**：又称**SPOOLing技术**，用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing系统的组成如下 ![](/files/-MjSt5L9eQNgHKkU0c-w) 在磁盘上专门开辟出两个存储区域：**输入井**和**输出井**。 * 输入井 * 模拟脱机输入时的磁带 * 用于收容I/O设备输入的数据 * 输出井 * 模拟脱机输出时的磁带 * 用于收容用户进程输出的数据 * 输入缓冲区 * 在输入进程的控制下，用于暂存从输入设备输入的信息 * 之后再转入到输入井中 * 输出缓冲区 * 在输出进程的控制下，用于暂存从输出井传来的数据 * 之后再传入输出设备上 ### Spooling系统的管理 * **预输入程序**：管理输入缓冲区 * **井管理程序**：管理输入输出井 * **缓输出程序**：管理输出缓冲区 {% hint style="warning" %} 假脱机技术虽然位于用户层软件，但是考纲中将其归类在了核心子系统的内容中 {% endhint %} ## 5.2.4 设备的分配与回收 ## 1、设备分配时应考虑的因素 #### （1）设备的固有属性 * **独占设备**：一个时段只能分配给一个进程（如打印机） * **共享设备**：可同时分配给多个进程使用（如磁盘） * 各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观.上交替使用 * **虚拟设备**：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用（如采用SPOOLing技术实现的共享打印机） #### （2）设备分配算法 * 先来先服务 * 优先级高者优先 * …… #### （3）设备分配中的安全性 * 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完成后才将进程唤醒 * 优点：破坏了“请求和保持”条件，不会造成死锁 * 缺点：对于一个进程来说，CPU和I/O只能串行工作 * 不安全分配方式：进程发出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I/O请求。**只有某个/0请求得不到满足时才将进程阻塞**。 * 优点：效率高，进程和I/O任务可以并行的执行 * 缺点：有可能发生死锁 ### 2、设备分配方式 * 静态分配：进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源 * 破坏了“请求和保持”条件，不会发生死锁 * 动态分配：进程运行过程中动态申请设备资源 ### 3、设备分配管理中的数据结构 ![设备、控制器、通道的关系](/files/-MjTKZ9hvfmdZadYITI3) * **设备控制表（DCT）**：每个设备一张，用于记录设备情况 * 设备类型 * 设备标识符 * 设备状态 * 指向控制器表的指针：指明设备所属的控制器 * 重复执行次数或时间：只有多少次I/O操作失败后才判断失败 * 设备队列的队首指针：指向当前设备的等待进程队列（由PCB组成） * **控制器控制表（COCT）**：每个控制器一张，操作系统跟具COCT对控制器进行操作和管理 * 控制器标识符 * 控制器状态 * 指向通道表的指针：指明控制器所属的通道 * 控制器队列的队首指针：指向正在等待控制器的进程队列 * 控制器队列的队尾指针 * **通道控制表（CHCT）**：每个通道一张，操作系统根据CHCT对通道进行操作和管理 * 通道标识符 * 通道状态 * 与通道连接的控制器表首址：可通过该指针找到该通道管理的所有控制器相关信息 * 通道队列的队首指针 * 通道队列的队尾指针 * 系统设备表（SDT）：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目 * 每一个表目记录设备的相关信息 * 设备类型 * 设备标识符 * DCT（设备控制表） * 驱动程序入口 ### 4、设备分配的步骤 1. 根据进程请求的物理设备名查找SDT 2. 根据SDT找到DCT * 若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中 * 不忙碌则将设备分配给进程 3. 根据DCT找到COCT * 若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中 * 不忙碌则将控制器分配给进程 4. 根据COCT找到CHCT * 若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中 * 不忙碌则将通道分配给进 程。 #### 缺点 用户必须使用物理设备名来请求设备，这导致了 * 若换了一个物理设备，则程序无法运行 * 若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备，进程也必须阻塞等待这特定的一个 #### 解决方式 建立**逻辑设备名**与物理设备名的映射表。 用户在请求设备时只需要提供逻辑设备名（即设备类型），系统会查找符合条件且空闲的设备分配给进程。 ## 5.2.5 缓冲区管理 缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区。 使用硬件作为缓冲区的成本较高，容量也较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合（如存储器管理中所用的**联想寄存器**） 一般情况下，更多的是**利用内存作为缓冲区**，**设备独立性软件**的缓冲区管理就是要组织管理好这些缓冲区。 ### 1、缓冲区的作用 * 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中断相应时间的限制 * 解决数据粒度不匹配的问题（输出进程每次输出一块，I/O每次只能输出一个字） * 提高CPU与I/O设备之间的并行性 ### 2、缓冲策略 #### （1）单缓冲 假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略，操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区。 {% hint style="warning" %} 若题目中没有特别说明，**一个缓冲区的大小就是一个块** * 当缓冲区数据**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**必须把缓冲区充满以后，才能从缓冲区把数据传出**。 {% endhint %} #### 分析处理时间 其中，设 * 从设备传入缓冲区的时间为T * 从缓冲区传入到用户进程的工作区所用的时间为M * 用户进程处理一块数据的时间为C 则分析每处理一块数据所用的时间，若假设初始状态为**工作区满，缓冲区空**： 当T>C时 ![](/files/-MjcxDJASZWCfb_xNgA6) 当T\ C+M 时 ![](/files/-MjhrWLurWXx5xbMecGZ) 综上，可得双缓冲策略处理一块数据的平均耗时为$$\text Max(C+M,T)$$ {% hint style="warning" %} 在通信中也可以利用到缓冲区来实现信息的交换。 实际上，管道通信中的“管道”就是缓冲区，要实现数据的双向传输，必须设置两个管道，也就是采用了双缓冲策略。 {% endhint %} ### 3、缓冲池 缓冲池由**系统中共用的缓冲区**组成。这些缓冲区按使用状况可以分为： * 空缓冲队列 * 装满输入数据的缓冲队列（输入队列） * 装满输出数据的缓冲队列（输出队列） 另外，根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种**工作缓冲区**： * 用于收容输入数据的工作缓冲区（hin） * 用于提取输入数据的工作缓冲区（sin） * 用于收容输出数据的工作缓冲区（hout） * 用于提取输出数据的工作缓冲区（sout） --- # Agent Instructions This documentation is published with GitBook. GitBook is the documentation platform designed so that both humans and AI agents can read, navigate, and reason over technical content effectively. Learn more at gitbook.com. ## Querying This Documentation If you need additional information that is not directly available in this page, you can query the documentation dynamically by asking a question. Perform an HTTP GET request on the current page URL with the `ask` query parameter: ``` GET https://aye10032.gitbook.io/os/di-wu-zhang-shu-ru-shu-chu-io-guan-li/5.2-io-he-xin-zi-xi-tong.md?ask= ``` The question should be specific, self-contained, and written in natural language. The response will contain a direct answer to the question and relevant excerpts and sources from the documentation. Use this mechanism when the answer is not explicitly present in the current page, you need clarification or additional context, or you want to retrieve related documentation sections.