操作系统第六章输入输出系统

第六章：输入输出系统

I/O系统的功能，模型和接口

I/O系统管理的对象是I/O设备和相应的设备控制器。

I/O系统的基本功能

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

I/O软件的层次结构

• 用户层I/O软件
• 设备独立性软件
• 设备驱动程序（厂家开发）
• 中断处理程序
• 硬件

I/O系统的分层

• 中断处理程序
• 设备驱动程序
• 设备独立性软件

I/O系统接口

• 块设备接口
  
  • 指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备
  • 典型的块设备是磁盘、光盘
  • 块设备的基本特征
    
    • ①传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；
    • ②它是可寻址的，即可随机地读/写任意一块；
    • ③磁盘设备的I/O采用DMA方式。
• 流设备接口
  
  • 又称字符设备指以单个字符为单位来传送数据信息的设备
  • 这类设备一般用于数据的输入和输出，有交互式终端、打印机
  • 字符设备的基本特征
    
    • ①传输速率较低；
    • ②不可寻址，即不能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；
    • ③字符设备的I/O常采用中断驱动方式。
• 网络通信接口
  
  • 提供网络接入功能，使计算机能通过网络与其他计算机进行通信或上网浏览。

I/O设备和设备控制器

分类

• 使用特性分
  
  • 存储设备
  • I/O设备
• 传输速率分
  
  • 低速设备（几字节——几百字节）
    
    • 典型的设备有键盘、鼠标、语音的输入
  • 中速设备（数千——数万字节）
    
    • 典型的设备有行式打印机、激光打印机
  • 高速设备（数十万——千兆字节）
    
    • 典型的设备有磁带机、磁盘机、光盘机

设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。在设备与设备控制器之间应该有一个接口。

• 数据信号：控制器 ← 设备 ← 控制器
  
  • 传送数据信号，输入、输出bit
• 控制信号: 控制器 → 设备
  
  • 执行读、写操作的信号
• 状态信号：设备当前使用状态

设备控制器

• 主要功能：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换
• 基本功能
  
  • 接收和识别命令
    
    • 控制寄存器、命令译码器
  • 数据交换
    
    • 实现CPU与控制器，控制器与设备间的数据交换
  • 标识和报告设备的状态
  • 地址识别
    
    • 配置地址译码器，识别不同的设备
  • 数据缓冲区
  • 差错控制
• 设备控制器的组成
  
  • 设备控制器与处理机（CPU）的接口
    
    • 实现CPU与设备控制器之间的通信
  • 设备控制器与设备的接口
    
    • 控制器可连接多个设备
  • I/O逻辑
    
    • 实现对设备的控制
    • CPU利用该逻辑向控制器发送I/O命令
    • 命令、地址译码

内存映像I/O

• 驱动程序将抽象I/O命令转换出的一系列具体的命令，参数等数据装入设备控制器的相应寄存器，由控制器来执行这些命令，具体实施对I/O设备的操作

I/O通道

• 目的：建立独立的I/O操作(组织, 管理和结束)，使由CPU处理的I/O工作转由通道完成（解放CPU，实现并行）

• 什么是I/O通道？

  • 是一种特殊的处理机，具有通过执行通道程序完成I/O操作的指令
  • 特点：指令单一(局限于与I/O操作相关的指令)，与CPU共享内存
• 基本过程：
  
  • CPU向通道发出I/O指令->通道接收指令->从内存取出通道程序处理I/O->向CPU发出中断
• 通道类型
  
  • 字节多路通道
    
    • 低中速连接子通道时间片轮转方式共享主通道
    • 字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。
  • 数组选择通道
    
    • 这种通道可以连接多台高速设备，但只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序， 控制一台设备进行数据传送， 直至该设备传送完毕释放该通道。这种通道的利用率很低。
  • 数组多路通道
    
    • 含有多个非分配型子通道，前两种通道的组合，通道利用率较好
• 瓶颈问题
  
  • 原因;通道不足
  • 解决办法：增加设备到主机间的通路，而不增加通道（结果类似RS触发器）

中断机构和中断处理程序

中断

• 分类
  
  • 中断（外部触发）
    
    • 对外部I/O设备发出的中断信号的响应
  • 陷入（内部原因：除0）
    
    • 由CPU内部事件引起的中断
• 中断向量表（类比51单片机）
  
  • 中断程序的入口地址表
• 中断优先级
  
  • 对紧急程度不同的中断处理方式
• 对多中断源的处理方式
  
  • 屏蔽中断
  • 嵌套中断

中断处理程序

• 测定是否有未响应的中断信号
• 保护被中断进程的CPU环境
• 转入相应的设备处理程序
• 中断处理
• 恢复CPU 的现场并退出中断

设备驱动程序

是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，又由于它常以进程的形式存在，故以后就简称为设备驱动进程

主要任务是接受来自它上一层的与设备无关软件的抽象请求，并执行这个请求。

功能

• 1) 接收由I/O进程发来的命令和参数， 并将命令中的抽象要求转换为具体要求。例如，将磁盘块号转换为磁盘的盘面、 磁道号及扇区号。
• 2) 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
• 3) 发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备去完成指定的I/O操作；如果设备处于忙碌状态，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。
• 4) 及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。
• 5) 对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。

设备驱动程序的处理过程

• 将用户和上层软件对设备控制的抽象要求转换成对设备的具体要求，如对抽象要求的盘块号转换为磁盘的盘面、磁道及扇区。
• 检查I/O请求的合理性。
• 读出和检查设备的状态，确保设备处于就绪态。
• 传送必要的参数，如传送的字节数，数据在主存的首址等。
• 工作方式的设置。
• 启动I/O设备，并检查启动是否成功，如成功则将控制返回给I/O控制系统，在I/O设备忙于传送数据时，该用户进程把自己阻塞，直至中断到来才将它唤醒，而CPU可干别的事。

对I/O设备的控制方式

• I/O控制的宗旨
  
  • 减少CPU对I/O控制的干预
  • 充分利用CPU完成数据处理工作
• I/O 控制方式
  
  • 轮询的可编程I/O方式
  • 中断驱动I/O方式
  • DMA控制方式
  • I/O通道控制方式

DMA控制器组成

• 主机与DMA控制器的接口
• DMA控制器与块设备的接口
• I/O控制逻辑

与设备无关的I/O软件

基本概念

• 含义： 应用程序独立于具体使用的物理设备。
• 驱动程序是一个与硬件(或设备)紧密相关的软件。为实现设备独立性，须在驱动程序上设置一层软件，称为设备独立性软件。
• 设备独立性(Device Independence)的优点
  
  • 以物理设备名使用设备
  • 引入了逻辑设备名
  • 逻辑设备名称到物理设备名称的转换（易于实现I/O重定向）

与设备无关的软件

• 设备驱动程序的统一接口
• 缓存管理
• 差错控制
• 对独立设备的分配与回收
• 独立于设备的逻辑数据块

设备分配中的数据结构

• 设备控制表DCT
• 控制器控制表COCT
• 通道控制表CHCT
• 显然，在有通道的系统中，一个进程只有获得了通道，控制器和所需设备三者之后，才具备了进行I/O操作的物理条件
• 系统设备表SDT
• 逻辑设备表LUT
• 分配的流程，从资源多的到资源紧张的:LUT->SDT->DCT->COCT->CHCT
• 在申请设备的过程中，根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT；继续查找与该设备连接的COCT和CHCT，就找到了一条通路。

用户层的I/O软件

系统调用与库函数

• OS向用户提供的所有功能，用户进程都必须通过系统调用来获取
• 在C语言以及UNIX系统中，系统调用（如read）与各系统调用所使用的库函数（如read）之间几乎是一一对应的。而微软的叫Win32API

假脱机系统（spooling）

• spooling技术是对脱机输入/输出系统的模拟
• 主要组成
  
  • 输入/输出井
  • 输入/输出缓冲区
  • 输入/输出进程
  • 井管理程序
• 特点（体现操作系统的虚拟性）
  
  • 提高了I/O的速度
    
    • 对数据所进行的I/O操作，已从对低速设备演变为对输入井或输出井中的数据存取。
  • 将独占设备改造为共享设备
    
    • 实际分给用户进程的不是打印设备，而是共享输出井中的存储区域
  • 实现了虚拟设备功能
    
    • 将独占设备变成多台独占的虚拟设备。

缓冲区管理

缓冲的引入（原因）

• 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
• 提高CPU和I/O设备之间的并行性
• 解决数据粒度不匹配的问题

单缓冲区

• 即在CPU计算的时候，将数据数据输入到缓冲区(大小取决与T和C的大小)

双缓冲区

• 即允许CPU连续工作（T不断）

环形缓冲区（专为生产者和消费者打造）

• 组成
  
  • 多个缓冲区
  • 多个指针
• 使用
  
  • Getbuf过程
  • Releasebuf过程
• 同步问题

缓冲池(理解为更大的缓冲区)

• 组成
  
  • 空白缓冲队列（emq）
    
    • 由空缓冲区链接而成F(emq)，L(emq)分别指向该队列首尾缓冲区
  • 输入队列（inq）
    
    • 由装满输入数据的缓冲区链接而成F(inq)，L(inq)分别指向该队列首尾缓冲区
  • 输出队列（outq）
    
    • 由装满输出数据的缓冲区链接而成F(outq)， L(outq)分别指向该队列首尾缓冲
• Getbuf和Putbuf过程
  
  • 收容：缓冲池接收外界数据
  • 提取：外界从缓冲池获得数据
• 缓冲区工作方式（从缓冲区的角度来看）
  
  • 收容输入
  • 提取输入
  • 收容输出
  • 提取输出

磁盘存储器的性能和调度

数据的组织和格式

磁盘的类型

• 固定头磁盘（贵）
• 移动头磁盘

磁盘访问的时间（关键）

• 寻道时间Ts=m*n+s
• 旋转延迟时间Tr
• 传输时间Tt=b/rN
• 总时间Ta=Ts+1/2r+b/rN

磁盘的调度算法（掌握图表）

• 先来先服务（FCFS）
  
  • 优点：公平，简单
  • 缺点：可能导致某些进程的请求长期得不到满足
• 最短寻道时间优先（SSTF）
  
  • 说明：要求访问的磁道和当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短
• 扫描算法（SCAN）
  
  • 扫描算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道间的距离，更优先考虑的是磁道当前的移动方向
  • 联想电梯的运行
  • 可防止低优先级进程出现“饥饿”的现象
• 循环扫描算法（CSCAN）
  
  • 算法规定磁头单向移动，例如，只是自里向外移动，当磁头移到最外的磁道并访问后，磁头立即返回到最里的欲访问磁道，亦即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行循环扫描
• NStepScan算法
  
  • N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次这些子队列。
• FSCAN算法
  
  • 是Nstepscan算法的简化，将磁盘请求队列分成两个子队列