IO管理：从轮询到通道

本篇对应王道第五章（原 17 IO管理概述 + 18 设备独立性软件合并）。主线一句话：想尽办法减少 CPU 对 IO 的干预——四种控制方式是这条主线的四步进化，缓冲区、SPOOLing 是配套工具。

一、I/O 设备与控制器

IO 管理是 OS 设计中最凌乱也最具挑战的部分——设备五花八门，很难有通用一致的设计。

设备分类（按不同维度）

设备控制器：CPU 与设备之间的中间人

**I/O 接口（设备控制器）**接收 CPU 命令、控制设备工作，把 CPU 从繁杂的设备控制事务中解脱出来。三部分组成：

1. 与 CPU 的接口：数据线（数据/控制/状态信息）、地址线（寄存器编号）、控制线（读写信号）
2. 与设备的接口：一个控制器可连多个设备，每接口传数据、控制、状态三类信号
3. I/O 逻辑：对 CPU 命令译码，控制所选设备

六大功能：接收识别命令、数据交换、报告设备状态、地址识别、数据缓冲、差错控制。

I/O 端口与编址

I/O 端口 = 控制器中可被 CPU 直接访问的寄存器：数据寄存器（缓存输入输出数据）、状态寄存器（设备状态供 CPU 读）、控制寄存器（CPU 写入启动命令）。

编址两种方式：

二、四种 I/O 控制方式（核心）

贯穿始终的宗旨：尽量减少 CPU 对 I/O 控制的干预，把 CPU 从繁杂 IO 事务中解放出来。

1. 程序直接控制（轮询）

CPU 发出 IO 指令后不断循环测试设备状态，直到数据就绪才取走。

简单易实现，但 CPU 绝大部分时间耗在循环测试上，CPU 与设备串行工作——根源是没有中断机构，设备无法主动报告"我好了"。

2. 中断驱动

设备准备好数据后主动中断 CPU：CPU 发出读命令后继续干别的；指令周期末尾检查中断信号，来了就保存现场、转中断处理程序、取走一个字，再恢复现场。

设备准备数据期间 CPU 和设备并行，利用率明显提升。但仍有两个问题：数据交换必须经过 CPU 寄存器；CPU 以字（节）为单位干预——对块设备 IO 极其低效。

3. DMA：数据不经过 CPU

在设备和内存之间开辟直接数据通路。三个特点：

1. 传送单位是数据块（不再是字）
2. 数据直接在设备和内存间传送，不经过 CPU
3. 仅在一个/多个数据块的开始和结束才需要 CPU 干预

DMA 控制器四类寄存器：CR（命令/状态）、MAR（内存地址）、DR（数据）、DC（数据计数器）。工作流程：CPU 设置初值启动 DMA → DMA 控制器全权负责传送（每次一个字，不需 CPU）→ 整块传完发一个中断。

4. 通道：让"小型处理机"管 IO

通道是一种特殊的处理机，能执行一系列通道指令。CPU 只需发一条 IO 指令（指明通道程序在内存的位置和要访问的设备），通道自己执行通道程序完成任务后再中断 CPU。实现 CPU、通道、设备三者并行。

与一般处理机的区别：指令类型单一、没有自己的内存（通道程序放主机内存，与 CPU 共享）。与 DMA 的区别：DMA 需 CPU 控制传输块大小和内存位置，通道这些信息自己控制；一个 DMA 控制器对应一台设备，一个通道可以控制多台设备。

裁缝店比喻（一图流记住四种方式）

想象客户要做一批衣服（CPU 要数据，裁缝是设备）：

三、I/O 软件层次结构

从上到下四层，每层利用下层服务、屏蔽实现细节、向上提供服务；接口不变，改一层不影响别层；只有最低层涉及硬件：

一次 read 的完整旅程：用户调 read（用户层）→ 设备独立层解析统一命令 → 驱动层把 read 翻译成该设备特有的指令（磁盘和打印机行为不同）→ 中断处理程序接管执行 → 硬件控制器按命令操控设备完成。

应用程序 I/O 接口

• 字符设备接口：get/put（顺序存取，缓冲区收发字符）、in-control 通用指令（参数对应各设备特定功能）、open/close 实现互斥共享
• 块设备接口：磁盘二维结构（磁道号+扇区号）被隐藏成线性编号 0~n-1；抽象命令映射为低层操作；常配 DMA；内存映射接口把文件映射到内存读写
• 网络设备接口：套接字接口（socket），本地套接字连接远程套接字收发数据

阻塞 I/O 与非阻塞 I/O

• 阻塞 I/O：进程发起 IO 后被移入阻塞队列干等，IO 完成才唤醒。奶茶店点单守着等——不知道啥时候做好，只能一直等。简单，适合并发小
• 非阻塞 I/O：发起 IO 后不阻塞，但需不断轮询询问是否完成，等待期间能干别的。点完单顺便逛商场，隔一会儿来问一次。并发量大时合适，缺点是轮询占 CPU

四、高速缓存与缓冲区

缓冲区要解决什么

1. 缓和 CPU 与 IO 设备速度不匹配的矛盾
2. 减少中断频率，放宽中断响应时间限制
3. 解决数据粒度不匹配（设备按字、进程按块）
4. 提高 CPU 与设备的并行性

实现：硬件缓冲器太贵（只在关键部位用），一般用内存。共享资源 → 使用时必须互斥。

单缓冲

一块缓冲区。设设备输入一块耗时 T、缓冲区传到工作区耗时 M、CPU 处理耗时 C，缓冲区必须冲满才能取：

• T 与 C 可并行（设备往缓冲区灌数据时，CPU 处理上一块已传出的数据）
• 平均处理一块时间 = Max(C, T) + M

双缓冲

两块轮流用：设备灌缓冲区 1 的同时，CPU 取缓冲区 2 的数据。T、M、C 三者并行程度更高：

• 平均处理一块时间 = Max(C + M, T)

⚠️ 通信细节：两台机器间单缓冲只能单向传输；要双向就得各自配两个缓冲区（一个发送一个接收）。

循环缓冲

速度相差太远时双缓冲也不够用——多个缓冲区链成循环队列，in 指针指向第一个可输入的空缓冲区，out 指向第一个可提取的满缓冲区，沿链循环移动。

缓冲池

区别于缓冲区（只是一块内存）：缓冲池是管理机制——数据结构 + 操作函数 + 公用缓冲区，供多进程共享。三类队列：空缓冲队列、输入队列（装满输入数据）、输出队列（装满输出数据）；四种工作缓冲区（hin 收容输入 / sin 提取输入 / hout 收容输出 / sout 提取输出）。

四种工作方式：收容输入（空队首摘缓冲 → 装输入数据 → 挂输入队列尾）、提取输入（输入队列首取 → 提取数据 → 用完挂空队尾）、收容输出、提取输出——对称的四步循环。

💡 循环缓冲和缓冲池只需定性理解机理；单缓冲双缓冲按 Max 公式模板分析，以不变应万变。

高速缓存 vs 缓冲区（必考对比）

磁盘高速缓存两种形式：内存中开辟固定大小缓存区；或把未利用的内存空间当缓冲池供请求分页和磁盘 IO 共享。

五、设备分配与回收

总原则：充分发挥设备使用效率（让设备忙起来）+ 避免分配不当造成死锁。

四张表（体现从属关系）

系统中通道 → 控制器 → 设备层层挂接，数据结构要体现这种层级：

回收：进程释放设备且无其他进程请求 → 把 DCT 的设备状态改为空闲即可。

分配三步

以独占设备为例：① 按物理设备名查 SDT 找到 DCT → 看状态：忙则挂设备等待队列，闲则分配设备；② 按 DCT 找 COCT → 忙则挂控制器等待队列，闲则分配控制器；③ 按 COCT 找 CHCT → 忙则挂通道等待队列，闲则分配通道。设备、控制器、通道三者都分到，分配才算成功，才能启动传送。

分配要考虑的因素

• 固有属性：独占设备（独占分配）、共享设备（同时分给多进程、调度访问次序）、虚拟设备（可共享）
• 分配算法：FCFS（按请求顺序排队）或最高优先级优先（同优先级再按 FCFS）
• 安全性：安全分配——发 IO 请求就阻塞直到完成，不会再申请别的资源，安全但 CPU 与设备串行；不安全分配——发完请求继续跑，可能同时操作多个设备、推进快，但可能死锁
• 设备独立性：进程用逻辑设备名请求，不指定具体物理设备——好处：分配灵活（该类设备忙可换同类另一台）、易于 I/O 重定向（换设备不用改程序）

逻辑设备名 → 物理设备名靠逻辑设备表 LUT（逻辑设备名、物理设备名、驱动程序入口地址）映射。LUT 两种设置：全系统一张（单用户系统，逻辑名不能重）或每用户一张（多用户系统，不同用户可用相同逻辑名）。

六、SPOOLing：把独占设备变成"共享"

假脱机技术：用程序模拟脱机输入输出的外围控制机，将独占设备改造成共享设备。

组成：

• 输入井/输出井：磁盘上开辟的两个存储区域，模拟脱机的磁盘；输入井收容 IO 设备输入的数据，输出井收容用户程序的输出数据；每进程的输入/输出数据是一个文件，链成队列
• 输入/输出缓冲区：内存中暂存（设备 → 输入井、输出井 → 设备）
• 输入/输出进程：模拟外围控制机，搬运数据
• 井管理程序：控制作业与磁盘井之间的信息交换

打印机例子：多个进程发打印请求，SPOOLing 系统都答应，但不立即真把打印机分给谁，而是：① 在磁盘缓冲区申请空闲盘块暂存打印数据；② 申请一张空白打印请求表挂到打印队列。进程立刻拿到"已打印"的感觉就去干别的了——真打印在打印机空闲且任务排到队首时才进行，用户不可见。每个进程都觉得自己独占了一台打印机。

特点：

1. 提高 IO 速度——对低速设备的操作变成对磁盘缓冲区的存取
2. 独占设备改造为共享设备——实际并未给任何进程分配设备
3. 实现了虚拟设备功能

为什么说是空间换时间：空间开销显然（磁盘开井）；省的时间在于——没有 SPOOLing 时 CPU 向打印机输出数据就得迁就打印机的慢速度，等打完才能干别的；有了 SPOOLing，CPU 把数据甩到磁盘输出井（快）就走人，打印排队的事假脱机进程管。向磁盘写数据比向打印机写快得多，时间就省出来了。

七、设备驱动程序接口

驱动程序 = IO 系统上层与设备控制器之间的通信程序：接收抽象 IO 请求（read/write）转成具体命令发给控制器，再把控制器的信号传回上层。功能：

1. 把抽象要求转为具体要求（如盘块号 → 盘面号、磁道号、扇区号）
2. 检查请求合法性、了解设备状态、传递参数、设置工作方式
3. 发出 IO 命令：设备空闲立即启动；忙则把请求者 PCB 挂到设备队列
4. 及时响应控制器发来的中断，按类型调用相应中断处理程序

与普通程序的不同：抽象与具体的双向转换、与 IO 控制方式（中断/DMA）紧密相关、不同类型设备配不同驱动、基本部分常固化在 ROM 中、允许同时多次调用执行。

统一接口要求：每个驱动与 OS 之间有相同或相近的接口（好添加新驱动）；抽象设备名转物理设备名找驱动入口；对设备保护，防止无权用户使用。

八、盲点总复习

1. 四种 IO 方式的进化目标只有一句话：减少 CPU 干预——轮询全程盯 → 中断按字报 → DMA 按块报不经过 CPU → 通道自己跑程序管多设备
2. 通道指令类型单一、没有自己的内存（与 CPU 共享主机内存）；一个通道可控制多台设备
3. 独立编址用专用 I/O 指令（要两组读写控制信号）；统一编址占主存空间、译码复杂
4. 单缓冲 Max(C,T)+M，双缓冲 Max(C+M,T)；两机通信要双向必须各配两个缓冲区
5. 磁盘高速缓存逻辑上属于磁盘、物理上在内存——不是 CPU 与内存之间那个 Cache
6. 缓冲区是共享资源，使用必须互斥；缓冲池 = 缓冲区 + 管理机制，可多进程共享
7. 设备分配顺序：设备 → 控制器 → 通道，三者都到手才算成功
8. 安全分配方式（请求即阻塞）CPU 与设备串行；不安全分配方式推进快但可能死锁
9. 设备独立性 = 用逻辑设备名，好处是灵活 + IO 重定向；映射靠 LUT，多用户系统每用户一张 LUT（逻辑名可重）
10. SPOOLing 三大关键词：磁盘上的井、内存中的缓冲区、模拟外围控制机的输入输出进程；本质是以空间换时间实现虚拟设备
11. 驱动程序固化在 ROM；一个驱动对应一类设备
12. 字符设备不可寻址 → 顺序存取 + 中断方式；块设备可寻址 → 随机存取 + DMA

四大管理还剩最后一块拼图：磁盘调度 → 09-磁盘与固态硬盘

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