操作系统 第七章 IO通讯与外设管理

设备分类

按用途：人机交互设备、存储设备、通讯设备、协处理设备

按速度：告诉设备、低速设备

按传输单位：块设备、字符设备、其他设备

按物理存在性：物理设备、虚拟设备

仅在概念上存在的设备。它有着和真实设备一样的接口，并对操作做出反应。

但找不到一个物理实体和它对应。又叫逻辑设备。

数据传输方式：直接传输设备、轮询设备、中断设备、DMA设备

共享类型：共享设备、假脱机设备、独占设备

问题一 什么样的设备适合作为直接传输设备？

随时准备好读写，且响应迅速的设备，如逻辑电平等。

问题二 什么设备适合作为直接内存访问传输设备？

数据量大或I/O操作频繁的设备。

SPOOLING

Spooling技术的本质，是把**"对设备的直接控制"** 替换为**"对磁盘文件的读写"**。只要满足以下两个条件，任何独占设备理论上都能被虚拟化：

• 数据是可存储的：设备处理的数据必须能被完整地写入磁盘（输入井/输出井），而不能是"即时交互"的。例如，打印机打印的内容可以存成文件，但鼠标的移动轨迹无法被"存起来"稍后执行。

• 操作是可排队的：设备的工作流程必须是"先来先服务"或"按顺序处理"的。如果设备需要随机、即时反馈，则无法排队。

结论： 从纯算法角度看，只要我们把设备的所有操作抽象为"数据流"，就可以用磁盘缓存+后台进程来模拟。所以理论上，几乎所有独占设备（打印机、绘图仪、磁带机）都具备转换潜力。

1. 什么是假脱机技术（Spooling）？

Spooling 全称是 Simultaneous Peripheral Operations On-Line（同时外围设备联机操作）。

• "假" 指的是：设备物理上只有一个，但系统通过软件手段，让每个用户都感觉自己"独占"了这台设备。

• "脱机" 指的是：输入/输出操作不再直接由CPU控制，而是由磁盘作为中间缓冲，CPU只负责把数据"扔"到磁盘，然后继续做别的计算任务。

工作流程（以打印机为例）：

当多个进程同时请求打印时，系统不会让打印机立刻打印，而是：

1. 将每个进程的打印数据写入磁盘上的一个**"输出井"**（一个专门的文件区）。

2. 系统给每个打印任务生成一个**"打印请求"**，排队等待。

3. 打印机守护进程（后台进程）从队列中按顺序读取数据并打印。

关键点： CPU在处理打印任务时，不直接等待打印机，而是等待磁盘写操作（速度快得多），所以CPU效率大幅提高。

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2. 假脱机技术的三个核心组件

为了实现上述功能，系统通常维护以下结构：

组件	作用
输入井/输出井	磁盘上预留的存储区域，用于暂存输入/输出数据。
输入缓冲区/输出缓冲区	内存中的缓冲区，用于暂存数据，减少磁盘I/O次数。
守护进程（Daemon）	一个后台进程，负责从队列中取出请求，并实际控制物理设备工作。

对于每个假脱机设备，我们都会启动守护进程来管理队列和操作I/O，而其他进程则把这个进程当成虚拟设备并操作它。

其他请求进程发起请求后立刻收到正在处理的回复，然后由守护进程维护队列处理，成功后主动通知调用进程。因此是阻塞的异步接口。

字符设备：实时时钟

定时器------带上限的计数器。

两组D触发器，一组用来计数，一组用来存上限，一个比较器持续比较二者，溢出置零

定时器中断------定时器置零的时候发送中断，让OS重启计时器

万年历------内部是一系列串联的定时器，上一级的溢出信号作为下一级定时器的输入。

能否找到一种方法,用一个定时器模拟出一批定时器?

软定时器------以系统定时器作为时基。每一个系统时刻检查所有软定时器看看有没有超时。

这样工作量很大。用红黑树存储定时器，只需检查最早到期的定时器即可。

第一阶段：硬件"滴答"一声响了（触发中断）

系统定时器芯片 每震动一次，就会向CPU发送一个硬件中断信号。

第二阶段：内核"记账"与"检查闹钟"

• 保存中断上下文： CPU赶紧把当前正在运行的程序（线程）的状态（寄存器、程序计数器等）存起来。

• **自增当前系统时间：**完成"时间流逝"的计数。

• 处理超时的软定时器（最关键的一步！）：

  • 假设你写了一个代码：sleep(100)，意思是要等100个"滴答"后才醒来。

  • 操作系统内核里有一张"软定时器列表"（相当于一组闹钟）。系统现在会去查这张表，看看有没有哪个"闹钟"的时间到了。

  • 如果发现时间到了，就把这个休眠的程序标记为"可以唤醒了"，或者触发你写的定时器回调函数。

第三阶段：既然到点了，该谁干活了？（调度）

• 运行调度器，选择新线程： 刚才如果唤醒了某个程序，或者刚才那个程序本来时间片就用完了。这时候，操作系统的"大管家"（调度器）就要出来决定："既然刚才那个程序时间到了，接下来该把CPU给哪个程序运行呢？" 调度器会选出一个优先级最高、准备好的新线程。

• 恢复中断上下文： 既然决定了让新线程（或者刚才被打断的老线程）继续跑，CPU就把之前保存的现场重新恢复。

• 结束： 中断处理完毕，CPU继续执行刚刚选中的那个线程的代码。

块设备：机械硬盘

读写单位：簇------扇区的集合

磁盘的共享：

磁道：越靠近的磁道之间的访问延迟更低，同时从内圈往外圈读访问延迟比从外圈往内圈读低

同一个磁道，从前往后读快，从后往前读慢。一个簇内部的写则最好一次写完。

模块一：缓冲（Buffer）与 缓存（Cache）的区别

1. 缓冲区（Buffer） - 速度不匹配

   • 作用 ：解决速度不匹配 （CPU极快，硬盘极慢）和数据单位不一致的问题。

   • 核心特点 ：先进先出（FIFO）。

   • 磁盘优化 ：系统不会一个请求来了就立刻移动磁头，而是把请求塞进"操作缓冲区"。同一个"簇"的读写请求合并 ，并按照磁道位置进行重新排序。这为后面的"磁盘调度算法"做好了准备。

2. 缓存（Cache） -减少读盘

   • 作用 ：保存副本，重用。

缓存作为缓冲区的改进，增加了数据存留的功能。缓冲缓存就能解决速度不匹配和副本宠用的问题。

模块二：缓冲区的数据结构与组织方式

既然有这么多读写请求，内存里是怎么把它们组织起来的？

1. 单缓冲 / 双缓冲：最基础的结构。双缓冲允许一边读，一边写，从而实现并行，效率更高。

2. 环形多缓冲（重点）：

   • 这是最常用的结构，就像一个摩天轮，有多个"车厢"（缓冲区）。

   • 队头指针（读，取走数据） 和队尾指针（写，放入数据）。

   • 读快于写 （头追上尾） →→ 队列空；写快于读（尾追上头） →→ 队列满。

3. 缓冲池（Buffer Pool）：

   • 操作系统不只为硬盘设置专属缓冲，而是提供一个全局共享的缓冲池。

   • 谁要用，就在池子里"划一块"缓冲区，用完归还。这极大地节约了内存，提高了整体利用率。

模块三：磁盘调度算法 - 物理上的"谁先动"

1. 先来先服务（FCFS）

• 做法：谁先来，就先去哪个磁道，不管远近。

• 缺点：磁头会疯狂左右乱跑，效率极低。

2. 最短寻道时间优先（SSTF）

• 做法 ：磁头当前位置在哪，就选择距离当前位置最近的那个请求去服务。

• 缺点 ：如果一直有离当前位置很近的新请求到来，那么离得远的磁道（比如最外圈或最内圈）就永远得不到服务 。这就叫**"饥饿现象"**。

3. 电梯扫描算法（SCAN 及其变种）

将队列中的请求排序，从头扫描到尾，然后再从头开始

基于回程时是否响应 ，以及是否扫描到底，有以下四个变种。

1. 为什么叫"循环"（Circular）？

• 普通 SCAN（电梯算法） ：就像一部正常的电梯。它从一楼到顶楼，然后原路返回 （下降），下降途中继续响应请求。来回都干活。

• C-SCAN（循环扫描） ：它不原路返回 。它只朝一个方向（比如从外向里）扫描。一旦扫到了最内侧，它**"啪"的一下瞬移（或者说是绕一圈）**回到最外侧的起点，重新开始从头往里扫。

也就是说，它的运动轨迹是一个"从起点到终点，然后瞬移回起点"的无限循环，所以叫 Circular（循环）。

驱动程序（Driver）------ 操作系统的"万能翻译官"

一般运行在内核态。驱动程序是设备依赖的。这是由于它们直接控制设备，与设备特性紧密相关。一旦更换设备，就需要更换驱动程序。驱动程序一般由设备厂商提供。

设备号：主设备号（厂商号）用来标记厂商，次设备号（设备号）用来标记具体产品

驱动程序根据设备的属性来查找设备。

驱动程序的功能

查找设备

扫描并检测硬件改动，识别应当识别的设备。

初始化设备

初始化并对设备进行必要设置 ，注册中断ISR。

响应设备请求

响应设备的中断等，在设备运行中与设备交互。

响应软件请求

执行操作系统和应用程序下发的设备操作指示。

USB如何识别设备------描述符 考点 ☆

USB设备的一切识别和配置操作都是基于描述符。描述符包括设备描述符、配置描述符、接口描述符和端点描述符四个层次，抽象程度依次递减。

上述设备包括两种工作模式(配置)第一种配置包括两个接口(子功能)，其中第一个子功能由三个通信端点(单向数据管道)组成。（输入输出就需要两个端点）

主机是如何识别设备的？

设备描述符

USB设备的识别和驱动匹配采取结构化的设备描述符。主机会定期扫描USB端口，一旦它发现有设备被插入，就发出控制传输请求，要求读取设备的设备描述符。

靠设备和厂商编号匹配设备

之后，主机就可以对设备的基本属性尽在掌握了，也知道匹配何驱动

配置描述符

接口描述符

端点描述符

设备操作的全景 ------ 一次完整的 I/O 脱胎换骨的过程

第一步：正常流程（从左到右，再到左）

1. 用户进程（红色块） ：你的程序（比如Word文档）发起了 fwrite() 或 read() 请求。这只是一条简单的指令。

2. 运行库（橙色块） ：系统将你的请求包装成**"系统调用（System Call）"** 。注意，这里有一条红色的虚线 ，这是用户态和内核态的边界。跨越这条线，程序就从"普通权限"变成了"系统特权"。

3. 系统内核（绿色块 - I/O子系统） ：内核收到了请求。它会先查一下缓存（Cache）。如果数据正好在内存里，直接返回，不走下面。如果不在，就会交给驱动程序去办。

4. 驱动程序（蓝色块）：驱动程序收到内核的指令，去真正读写硬件控制器的寄存器，发起物理操作。

5. 数据返回（箭头向右再向左） ：硬件把数据给驱动，驱动给内核，内核再通过系统调用**"返回"**给用户进程，结束。

第二步：图下方的"阻塞"问题 ------ 为什么会导致假脱机？

• 图里特别解释了一个概念：阻塞（Blocking）。

• 问题所在 ：驱动告诉硬件"去读磁盘"。但是，机械硬盘读数据需要好几毫秒 （机械臂要移动、盘片要旋转），这对于CPU来说极其漫长。

• 后果 ：如果程序在这里**"死等"** ，CPU就被浪费了。这就是为什么需要假脱机（Spooling） 。假脱机把用户进程的打印请求直接写到磁盘缓冲区，用户进程立刻返回（不阻塞），而真正的慢速打印操作，交给后台的"守护进程"去排队慢慢做。

第三步：图下方最恐怖的"问题"------ 死锁/永久阻塞

• 现实场景 ：你让打印机打印，但打印机没纸了。驱动程序发出了操作，但一直没有**"中断信号（ISR）"**说"我干完了"。

• 操作系统如何解决？

  • 设置一个**"超时计时器（Timeout）"**。

中断

第一层：核心概念------为什么要把中断分成"两半"？

问题根源： 中断处理必须极其迅速。如果在处理中断时，CPU一直"关中断"（不响应新中断），那么系统就会错过其他更紧急的信号。

解决策略（分而治之）：

既然不能在一个函数里把所有事做完，那就把工作拆成两半：

1. 上半部（Top-half / ISR） ："紧急抢救" 。只做必须立刻做的事（比如把数据从硬件寄存器拷贝到内存），做完立刻结束，恢复中断。要求：越快越好。

2. 下半部（Bottom-half / kworker） ："善后工作" 。处理复杂、耗时的事情（比如把刚才拷贝进内存的数据，解析、分发，或者唤醒等待数据的进程）。要求：可以被打断，慢慢排队处理即可。

1. 接收中断（触发）：网卡收到了一个数据包，向CPU发信号。

2. 关中断，保存现场：CPU立刻暂停当前运行的程序，关闭响应新中断的能力，把当前的寄存器和执行状态存起来。

3. 运行中断服务程序（ISR / 上半部 - 红色块）：

   • 这就是上半部。

   • 核心动作 ：网卡驱动读取网卡寄存器，把数据包拷贝到内核内存的缓冲区中。

   • 结束 ：拷贝完毕后，立刻恢复现场、开中断，退出。整个过程可能只要几十微秒，极其高效。

4. 运行I/O内核线程（下半部 - 橙色块）：

   • 这就是下半部 。图中右侧写的 kworker 是内核专门用来干杂活的工作线程。

   • 刚才的上半部（ISR）在退出前，会给这个 kworker 发一个信号（解除其阻塞），让它开始干活。

   • 核心动作 ：这个内核线程开始慢悠悠地分析刚才拷进来的数据包，进行协议栈解析（比如判断是TCP还是UDP），并最终把数据交给用户程序（比如你的浏览器）。这个解析可能耗时好几毫秒甚至更长，但完全没关系，因为CPU在中断刚结束时就已经恢复运行其他程序了，下半部是在后台并行执行的。

换算单位

"M"到底代表 1024×1024还是 106 ，主要取决于你是在处理存储/内存 ，还是网络/传输速率。

只有存储用二进制，因为需要通过地址线寻址。

接口分类

按功能分类：人机交互设备接口（wxWidgets、MFC、WPF）、存储设备接口（文件系统提供的文件操作）、网络设备接口（socket）、显示设备接口（OpenGL、DirectX等图形学库）

按阻塞性分类：阻塞接口、非阻塞接口

当设备无法即时完成操作或返回消息时，线程将阻塞，直到设备返回数据。一定需要操作系统介入

当设备无法即时完成I/O操作或返回消息时，该接口将立即返回，并将当前设备状态报告给调用线程。线程可以以合适的间隔轮询此接口，直到获取到数据。不一定需要操作系统介入。

问题（1）：为什么需要非阻塞接口？一切接口都阻塞不好吗？

• 答案：如果一切接口都阻塞，一旦遇到慢速设备，线程卡死在那里。

问题（2）：阻塞接口和非阻塞接口，哪个效率高？

• 答案 ："数据量小的设备，阻塞效率高；数据量大则反之。"

按同步性分类：同步接口、异步接口

第一层：核心概念------什么是"同步"与"异步"？

判断标准很简单： "发起请求后，你是自己亲自等结果 ，还是让别人（系统）结果出来时通知你？"

1. 同步接口（Synchronous）------ "亲自去等结果"

• 用同一个接口操作来发起I/O请求和接收I/O结果；当接口返回时，I/O结果必定已知，要么完成，要么失败。

2. 异步接口（Asynchronous）------ "我先走，结果出来了你叫我"

• 用一个接口操作来发起I/O请求，并用回调函数来接收I/O结果；发起请求的I/O接口操作返回时，请求可能还在处理中，I/O结果要等到回调函数被调用时才知道。

回调函数

（1）定义该回调函数

（2）将回调函数的函数指针 和触发它的条件注册给系统

（3）系统将在满足条件时调用它，提醒应用程序某事件发生。

"同步/异步" 与 "阻塞/非阻塞" 到底什么关系？

核心本质：

• 阻塞/非阻塞 讲的是："我在等数据的时候，CPU能不能去干别的事？" （关注线程的状态）。

• 同步/异步 讲的是："数据准备好了，是谁来通知我？" （关注消息的通知机制）。

为了让你彻底记住，我们看四个组合（经典的I/O模型）：

组合	通俗例子	效率
同步 + 阻塞	你网购后，一直守在门口盯着快递，什么都不做，直到快递员把包裹递到你手里。	最低（卡死CPU）
同步 + 非阻塞	你网购后，每隔5分钟去门口看一眼，没到就回去继续打游戏，到了就拿包裹。	中等（浪费CPU轮询）
异步 + 阻塞	你网购后，一直守在门口，盯着手机。手机响了你拿包裹（极端少见）。	比较少见
异步 + 非阻塞	（最完美的境界） 你网购后，正常打游戏、玩手机 。快递员到了给你按门铃（回调），你再下楼拿包裹。	最高（高效并发）

一张图帮你记：

阻塞 = 我的人（线程）在等；

非阻塞 = 我的人（线程）在干别的；

同步 = 我亲自拿结果；

异步 = 系统通过回调把结果塞给我。