I/O 管理

I/O 系统的功能、模型和接口

I/O系统管理的主要对象是 I/O设备和相应的设备控制器，其主要任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段。

I/O系统的基本功能

1. 隐藏物理设备的细节。不同 IO设备在接收和产生数据的速度，传输方向、粒度、数据的表示形式及可靠性等方面存在差异，控制外部设备执行操作需要向相应的设备控制器发送不同的命令和参数，程序员编写直接面向设备的程序是极端困难的，IO 系统必须对不同的设备加以适当的抽象，隐藏掉物理设备的实现细节，仅向上层进程提供少量的抽象的读写命令。
2. 保证与设备的无关性。一方面要使用户不仅可以使用抽象的 IO 命令，还可以使用抽象的逻辑设备名来使用设备。另一方面要提高 OS 的可移植性和易适应性，允许不需重新编译将整个操作系统而增添新的设备驱动程序，以方便新的 I/O 设备的安装。
3. 提高处理机和 I/O 设备的利用率。尽可能让处理器和 I/O设备并行操作，这一方面要求处理机能快速响应用户的 IO 请求，使 IO 设备尽快运行起来，另一方面应尽量减少在每个 IO设备运行时处理机的干预时间。
4. 对设备进行控制（驱动程序的功能）。采用何种方式控制与 IO 设备的传输速率、传输的数据单位的因素有关。为方便高层软件和用户 IO软件也应屏蔽掉这种差异，向高层软件提供统一的操作接口。
5. 确保对设备的正确共享。系统在对打印机、磁带机等独占设备（一旦分配给某进程便被独占，直至用完释放）进行分配时，应考虑到分配的安全性；多个进程在对磁盘等共享设备执行读写操作时可以交叉进行，应确保不会影响到读写的正确性。
6. 处理错误。设备由于包含了较多的机械和电机部分，运行时容易出现错误和故障。临时性错误应通过重试操作来纠正，持久性错误应向上层报告。对错误的处理，应尽可能在接近硬件的层面上进行，只有低层软件解决不了的错误，才向上层报告。

I/O 系统的层次结构和模型

I/O 系统的层次结构

I/O 软件往下与硬件有着密切的关系，往上又与用户直接交互，它与进程管理、存储器、文件管理等都存在着一定的联系（都可能需要 I/O 软件来实现 I/O 操作）。

为使十分复杂的 I/O 软件能具有清晰的结构，更好的可移植性和易适应性，目前在 I/O 软件中已普遍采用了层次式结构，将系统中的设备操作和管理软件分为若干个层次。通常把 I/O 软件组织成四个层次：

1. 用户层软件：实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与 I/O 操作有关的库函数，对设备进行操作。
2. 设备独立性软件：负责实现与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
3. 设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
4. 中断处理程序：用于保存被中断进程的 CPU 环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后返回到被中断进程。

I/O 系统的模型

各模块之间的层次视图

上接口——I/O系统接口

I/O 系统的上接口是 I/O系统接口，向上层系统提供对设备进行操作的抽象I/O命令，不少 OS 在用户层提供了与 I/O 操作有关的库函数供用户使用。在上层系统中有文件系统、虚拟存储器系统，以及用户进程等。根据设备类型的不同，又可进一步分为若块设备接口、流设备接口和网络通信接口。

下接口——软件/硬件接口（RW/HW接口）

软件/硬件接口的下面是各种设备的控制器，如 CD-ROM 控制器、硬盘控制器、键盘控制器、打印机控制器、网络控制器等。他们都属于硬件。由于设备种类繁多。故该接口相当复杂。

I/O 系统的接口

见