操作系统原理第十三章 I/O系统

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13.1 I/O基本概念

13.1.1 I/O系统的基本概述

I/O系统的核心是：I/O的控制和管理

计算机2个主要任务：

• I/O操作-更加频繁
• 计算

I/O设备特点：

• 种类繁多，不断有新设备出现
• 接口标准化：如USB

13.1.2 I/O系统的基本功能

1. 隐藏物理设备的细节
2. 与设备的无关性
3. 提高处理机和I/O设备的利用率
4. 对I/O设备进行控制
5. 确保对设备的正确共享
6. 错误处理

设备独立性：

为了提高操作系统的可适应性和可扩展性

• 现代操作系统中实现了设备独立性，也称为设备无关性

• 应用程序独立于具体使用的物理设备

实现方法

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• 引入逻辑设备和物理设备

• 在应用程序中 使用逻辑设备名来请求使用某类设备

• 而系统在实际执行时使用物理设备名

• 系统必须具有将逻辑设备名转换为物理设备名的功能

I/O应用接口

• I/O系统调用将设备的行为封装成一些通用类型
• 设备驱动层对内核隐藏了I/O控制器的不同细节
• 设备在许多方面有很大差异

13.1.3 I/O硬件控制

控制设备方法（通过设备地址）：

• 直接I/O指令：IN AL, 60H
• 内存映射I/O：设备地址和内存地址同一编址

I/O寄存器：

• 状态寄存器
• 控制寄存器

13.1.4 I/O设备的类型

按使用特性分类：

• 存储设备、I/O设备

按传输速率分类

• 低速设备：键盘、鼠标器、语音的输入
• 中速设备：行式打印机、激光打印机
• 高速设备：磁带机、磁盘、光盘

按信息交换的单位分类

• 块设备、字符设备

按设备的共享属性分类

• 共享设备、独占设备

13.2 I/O设备的控制方式

使用轮询的I/O可编程方式：现在基本不用

使用中断的可编程I/O方式：可以使CPU与I/O设备并行工作

直接存储器访问DMA方式：进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度

I/O通道控制方式

主频：3.0GHz

中断机制

CPU硬件上有一根中断请求线IRL

基本中断工作机制

• CPU执行完每条指令后，检测IRL
• 如检测到信号，CPU保存当前状态，并跳转到中断处理程序
• 执行中断处理程序
• 执行完后，清除中断，返回

中断处理程序

① 检测是否有未响应的中断信号

② 保护被中断进程的CPU环境

③ 转入相应的设备处理程序

④ 中断处理

⑤ 恢复CPU的现场并退出中断

DMA直接内存访问

为了避免用程序控制I/O来传输大量数据，需要

• DMA控制器

• 绕过CPU，直接在I/O设备和内存之间传输数据

13.3 I/O内核子系统

提供了与I/O有关的服务，建立在硬件和设备驱动程序结构之上，还负责保护自己免受错误进程和恶意用户的危害

13.3.1 I/O调度

某些I/O请求要按照设备队列排序

于是就有类似于先来先服务算法的使用。

13.3.2 缓冲

现代的操作系统之中，CPU和I/O设备交换数据之间，都有缓冲区

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件组成；更多的是利用内存

引入缓冲的理由：

• 缓解I/O设备和高速设备之间的速度差异
• 协调数据传输数据大小不一致
• 维持“复制语义”

在CPU和I/O设备之间引入缓冲的理由：

• 缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
• 减少CPU的中断频率，放宽中断响应时间的限制
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性

13.3.3 高速缓存

cache——保留数据拷贝的高速内存

• 仅仅是一个拷贝
• 关键是性能问题

与缓冲的区别：

• 缓冲可能是数据的唯一一个副本
• 高速缓存是其他地方数据在高速存储设备上的一个副本

13.3.4 假脱机SPOOLing

为了缓和CPU的高速性与I/O设备的低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。

• 程序模拟脱机输入，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上

• 另一程序模拟脱机输出，把数据从磁盘传送到低速输出设备

此时，外围操作与CPU对数据的处理同时进行，这种在联机情况下实现的同时外围操作称为假脱机技术SPOOLing

SPOOLing系统的组成

SPOOLing系统的特点

• 提高了I/O设备的速度
• 将独占设备改为共享设备
• 实现了虚拟设备的功能