OS-07 输入输出系统

一、I/O控制方式的演进

I/O控制方式经历了从CPU完全参与到几乎不需CPU参与的发展过程，每一种新方式都是为了解决前一种方式的性能瓶颈。

这是最原始的I/O方式。CPU不断读取设备的状态寄存器，检查设备是否准备好了。如果没准备好，CPU就空转等待。

形象理解：就像你在水壶前一直盯着，问"水开了吗？""水开了吗？"——CPU什么其他事都不能做。

缺点：CPU利用率极低，因为CPU的速度远快于I/O设备。

CPU向设备发出I/O请求后，不再等待，而是继续执行其他程序。当设备完成操作时，通过中断信号通知CPU。

形象理解：把水壶放在炉子上，设个闹钟，然后去做其他事。闹钟响了再去关火。

优点：CPU可以在I/O等待期间执行其他程序，利用率大幅提高。

缺点：对于每个字节的传输都需要一次中断，大量中断导致CPU频繁切换。

DMA控制器是一个专门的硬件，它可以直接在设备和内存之间传输数据，不需要CPU逐一处理每个字节。CPU只需设置好传输参数（源地址、目标地址、数据长度），然后DMA控制器独立完成数据传输，完成后发一个中断通知CPU。

典型应用：磁盘读写。读取一个4KB的磁盘块，如果使用中断驱动，需要产生4096次中断；使用DMA只需要1次中断。

通道是一种更高级的I/O控制方式，它实际上是一个专门处理I/O操作的处理器。通道有自己的指令集，可以执行"通道程序"来自主完成复杂的I/O操作序列。

操作系统中的I/O系统采用分层设计，每一层屏蔽下层的细节，为上层提供抽象服务。

用户层软件：应用程序通过系统调用接口（如file.read()、socket.send()）发起I/O请求。

设备独立性软件：这一层实现了设备无关性。应用程序使用逻辑设备名（如/dev/lp0）访问设备，由这一层映射为具体的物理设备。同时，这一层还负责设备命名、保护、缓冲和错误处理。

设备驱动程序：每个设备类型都有对应的驱动程序。驱动程序理解设备硬件的特定命令格式，将上层的通用I/O请求转换为设备能理解的命令序列。

中断处理程序：处理设备完成I/O后发起的中断，唤醒等待I/O完成的进程。

SPOOLing（假脱机操作）是一种将独占设备虚拟化为共享设备的技术。最典型的应用是打印机共享。

在没有SPOOLing的情况下，打印机一次只能为一个进程服务。有了SPOOLing，情况就不同了：

SPOOLing系统的组成：

工作流程：多个进程同时提交打印任务 → 每个任务被写入磁盘的输出井中排队 → 打印机空闲时从输出井取出任务依次打印。从进程的角度看，打印机"看起来"是同时可用的——每个进程都感觉自己独占打印机。