I/O设备分类与特性

I/O 设备种类繁多，特性各异。为了更好地管理和使用这些设备，需要对其进行合理的分类。本章将详细介绍 I/O 设备的分类方法、各种特性以及相应的管理策略。

设备分类方法

1. 按信息交换方式分类

块设备（Block Devices）

特点：以数据块为单位进行数据传输
典型设备：硬盘、软盘、光盘、U 盘
特性：
- 支持随机访问
- 数据传输量大
- 有缓存机制
- 支持 DMA 传输

// 块设备的基本结构
typedef struct {
    int block_size;          // 块大小
    int total_blocks;        // 总块数
    int current_position;    // 当前位置
    void (*read_block)(int block_num, void *buffer);
    void (*write_block)(int block_num, void *buffer);
} block_device_t;

字符设备（Character Devices）

特点：以字符为单位进行数据传输
典型设备：键盘、鼠标、串口、打印机
特性：
- 顺序访问为主
- 数据传输量小
- 实时性要求高
- 通常不支持缓存

// 字符设备的基本结构
typedef struct {
    int baud_rate;           // 波特率
    int data_bits;           // 数据位
    int stop_bits;           // 停止位
    int parity;              // 校验位
    void (*read_char)(char *ch);
    void (*write_char)(char ch);
} char_device_t;

2. 按传输速度分类

高速设备（High-Speed Devices）

速度范围：> 1MB/s
典型设备：硬盘、SSD、网络设备
管理特点：
- 需要高效的缓冲管理
- 支持并发访问
- 采用 DMA 传输

中速设备（Medium-Speed Devices）

速度范围：1KB/s - 1MB/s
典型设备：光盘、磁带、某些网络设备
管理特点：
- 需要适当的缓冲
- 支持中断驱动
- 平衡 CPU 和 I/O 负载

低速设备（Low-Speed Devices）

速度范围：< 1KB/s
典型设备：键盘、鼠标、打印机
管理特点：
- 简单的缓冲管理
- 主要使用中断驱动
- CPU 参与度较高

3. 按功能分类

专用设备（Dedicated Devices）

特点：一次只能被一个进程使用
典型设备：打印机、绘图仪
管理策略：
- 设备分配机制
- 排队等待机制
- 设备释放机制

// 专用设备管理结构
typedef struct {
    int device_id;
    int current_owner;       // 当前使用者进程ID
    int queue_head;          // 等待队列头
    int queue_tail;          // 等待队列尾
    int queue[MAX_WAIT];     // 等待队列
    void (*allocate)(int pid);
    void (*release)(void);
} dedicated_device_t;

共享设备（Shared Devices）

特点：可以同时被多个进程使用
典型设备：硬盘、网络设备
管理策略：
- 并发控制机制
- 数据一致性保护
- 访问权限管理

// 共享设备管理结构
typedef struct {
    int device_id;
    int user_count;          // 当前用户数
    int max_users;           // 最大用户数
    semaphore_t access_sem;  // 访问信号量
    void (*request_access)(int pid);
    void (*release_access)(int pid);
} shared_device_t;

设备特性分析

1. 传输特性

传输方向

单向传输：只能输入或只能输出
双向传输：既能输入又能输出
全双工：同时进行输入和输出

传输方式

同步传输：发送方和接收方时钟同步
异步传输：使用起始位和停止位同步
等时传输：保证固定的传输速率

2. 控制特性

控制复杂度

// 设备控制复杂度分类
typedef enum {
    DEVICE_SIMPLE,           // 简单设备（如LED）
    DEVICE_STANDARD,         // 标准设备（如键盘）
    DEVICE_COMPLEX           // 复杂设备（如硬盘）
} device_complexity_t;

控制方式

程序控制：CPU 直接控制设备
中断控制：设备通过中断通知 CPU
DMA 控制：设备直接访问内存

3. 可靠性特性

错误处理能力

// 设备错误处理结构
typedef struct {
    int error_code;          // 错误代码
    int retry_count;         // 重试次数
    int timeout_value;       // 超时值
    void (*error_handler)(int error_code);
    void (*recovery_procedure)(void);
} device_error_handling_t;

故障恢复机制

自动恢复：设备能够自动从故障中恢复
手动恢复：需要人工干预才能恢复
替换恢复：需要更换设备才能恢复

设备管理策略

1. 设备分配策略

静态分配

设备在进程运行期间一直分配给该进程
优点：简单，无竞争
缺点：设备利用率低

动态分配

设备按需分配给进程
优点：设备利用率高
缺点：需要复杂的同步机制

2. 设备调度策略

先来先服务（FCFS）

// FCFS设备调度
typedef struct {
    int queue[MAX_QUEUE];    // 等待队列
    int head, tail;          // 队列头尾指针
    void (*enqueue)(int pid);
    int (*dequeue)(void);
} fcfs_scheduler_t;

优先级调度

根据进程优先级分配设备
高优先级进程优先使用设备

最短服务时间优先（SSTF）

优先服务使用时间最短的请求
适用于块设备的调度

3. 设备缓冲策略

单缓冲

只有一个缓冲区
简单但效率有限

双缓冲

// 双缓冲结构
typedef struct {
    void *buffer1;           // 缓冲区1
    void *buffer2;           // 缓冲区2
    int current_buffer;      // 当前使用的缓冲区
    void (*switch_buffer)(void);
} double_buffer_t;

多缓冲

多个缓冲区循环使用
提高并发性和效率

设备驱动程序

1. 驱动程序结构

// 设备驱动程序接口
typedef struct {
    char driver_name[64];    // 驱动程序名称
    int device_type;         // 设备类型
    void (*init)(void);      // 初始化函数
    void (*open)(void);      // 打开设备
    void (*close)(void);     // 关闭设备
    int (*read)(void *buffer, int size);
    int (*write)(void *buffer, int size);
    void (*ioctl)(int cmd, void *arg);
} device_driver_t;

2. 驱动程序功能

设备初始化：设置设备参数
数据传输：实现读写操作
错误处理：处理设备错误
状态管理：管理设备状态

总结

I/O 设备的分类和特性分析是 I/O 系统设计的基础。通过合理的分类方法，可以更好地理解不同设备的特点，从而制定相应的管理策略。设备驱动程序作为连接硬件和操作系统的桥梁，需要根据设备特性提供相应的功能接口。