第8章 输入/输出系统

I/O设备分类

• 按传输速度：
  • 高速设备：磁盘、网卡等
  • 中速设备：打印机等
  • 低速设备：键盘、鼠标等
• 按信息交换单位：
  • 字符设备：以字符为单位传输
  • 块设备：以数据块为单位传输
• 按共享属性：
  • 独占设备：同一时间只能被一个进程使用
  • 共享设备：可被多个进程同时访问
  • 虚拟设备：通过Spooling技术将独占设备虚拟为共享设备

I/O控制方式

• 程序控制方式（轮询）：CPU不断查询设备状态
• 中断驱动方式：设备完成操作后发中断通知CPU
• DMA方式：直接内存访问，CPU只在开始和结束时介入
• 通道方式：专门的I/O处理器控制I/O操作

中断处理过程

1. 中断响应：CPU检测到中断，保存当前执行状态
2. 中断识别：确定中断源和优先级
3. 中断处理：执行中断服务程序
4. 中断返回：恢复原程序执行

Spooling技术（假脱机）

Spooling（Simultaneous Peripheral Operations On-Line）是通过磁盘作为中间存储，将独占设备虚拟为共享设备的技术。

• 输入井：磁盘上的输入缓冲区
• 输出井：磁盘上的输出缓冲区
• 输入缓冲区：内存中的输入缓冲区
• 输出缓冲区：内存中的输出缓冲区

Spooling系统的组成

• 输入井：磁盘上开出的一个存储区域，用来存放作业的输入数据
• 输出井：磁盘上开出的一个存储区域，用来存放作业的输出数据
• 输入进程：负责将作业从输入设备读入输入井
• 输出进程：负责将输出井中的结果输出到输出设备

Spooling技术的特点

• 提高了I/O速度：将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上
• 将独占设备改造为共享设备：多个用户共享磁盘上的虚拟设备
• 实现了虚拟设备功能：每个用户都感觉自己在独占一台设备

缓冲区管理

什么是缓冲区？为什么需要？

• 用于临时存储 IO 数据
• 作用：
  • 减少系统调用次数（降低开销）
  • 平滑 IO 峰值
  • 提高整体吞吐量

I/O多路复用

select、poll、epoll 区别？

• select：监听数量有限制（1024）
• poll：无数量限制，但每次扫描全部 FD
• epoll：事件驱动，只监听变化的 FD（性能最高）

中断机制

什么是中断？

• 硬件或软件向 CPU 发出的事件通知
• 异步发生，CPU 会保存当前状态并处理中断
• 用于 IO、时钟、系统调用等