操作系统-第六章

输入输出系统

注：为方便书写，文中所有的IO都代表I/O

IO系统的功能、模型和接口

IO软件的层次

用户层软件：产生IO请求、格式化IO、Spolling
设备独立性软件：映射、保护、分块、缓冲、分配
设备驱动程序：设置设备寄存器；检查状态
中断处理程序
硬件：执行IO操作

IO系统的模型

IO设备和设备控制器

即硬件部分

IO设备一般由两部分组成：

机械部分
电子部分

IO设备的类型：（不同分类标准）

输入设备、输出设备、交互式设备

低速设备（键盘、鼠标）、中速设备（打印机）、高速设备（磁盘、光盘）

数据传输单位：块设备、流设备

共享属性：独占设备、共享设备

硬件部分的通信方式：设备和设备控制器通信、设备控制器和CPU通信

IO设备和设备控制器之间通过三种类型信号通信：

数据信号线
状态信号线
控制信号线

CPU和设备控制器之间通过三种类型信号通信：

数据信号线
地址信号线（通知设备控制器需要开启哪个设备，因为一台设备控制器有可能连接多台同类型的设备）
控制信号线

IO通道------CPU的新替身

IO通道不仅可以接收CPU传来的命令进行译码执行，也可以通过访问内存，取指执行，特点如下：

能够执行的指令类型单一------仅限于IO指令
没有自己的内存，和CPU共享内存

IO通道的类型：

字节多路通道
数组选择通道
数组多路通道

中断机构和中断处理程序

中断在操作系统中有着特殊重要的地位
是进程切换的重要技术

外中断和内中断

外中断（中断）：中断由外部设备引起
内中断（陷入）：中断来源于CPU内部

中断向量表：

序号	中断处理程序入口
1	0x11234
...	...

中断信号到来时，中断控制器（硬件）确定中断号，再去调用相应的处理程序

处理中断具有不同的优先级，因此对多源中断产生了两种处理方式：

屏蔽（禁止）中断------不让插队
嵌套中断------让插队

设备驱动程序

中断是IO结束的时候用的，驱动则主要是IO启动时用的。

驱动程序是IO系统的高层和设备控制器之间的通信程序，其需要接收抽象的IO指令，例如read或者write，然后将其转换为适合改硬件的具体指令和参数，发送给设备控制器。

设备驱动程序和一般应用/系统程序的不同

仅转换IO相关操作
和硬件紧密关联，同类终端可以共享一个驱动
驱动程序与IO采用的控制方式相关，一般为中断驱动或者DMA方式
和硬件紧密相关，因此一部分是汇编语言，固化在ROM中
允许可重入，正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前再次被调用

设备驱动程序的处理过程

将抽象要求转换为具体要求（e.g. 磁盘，需要将逻辑地址转换为盘号、磁道号和扇区号）
对服务请求进行校验，检查用户请求的合理性（e.g. 从打印机读入数据是不合理的）
检查设备的状态。启动IO设备前，该设备应该是就绪状态，需要检查设备控制器的状态寄存器；如果不是，则阻塞进程到该设备的等待队列上。
传送参数
启动IO设备，传送指令
将自己阻塞，等待设备IO结束后的中断信号再被唤醒

驱动程序中最重要的技术：对IO设备的控制方式

程序控制方式
中断驱动方式
DMA方式
IO通道控制方式

程序控制方式（轮询的可编程IO方式）：

CPU发出一条IO指令启动输入设备输入数据时，要同时令状态寄存器中的忙/闲标志busy 置1，并循环检查busy的值。（CPU总要一直检查busy的值，需要额外的开销）
当busy=1时，表示尚未完成一个字（符）的输入，此时CPU应继续对busy进行检查，直至busy=0，表明已完成数据的输入。
于是，CPU将数据寄存器中的数据取出，送入内存中，这样便完成了一个字（符）的IO。
接着再去启动读下一个数据，并置busy=1，如此反复下去

中断驱动方式（中断的可编程IO方式）：

进程要启动IO设备工作时，由CPU向该设备控制器发出一条IO命令，然后便可以立即返回继续执行原来的任务。
设备控制器按照命令要求去控制指定设备。此时，CPU与IO设备并行操作。
设备处理完数据后，便产生一个中断信号。此时，CPU转而处理该信号。

特点：在IO设备处理每个数据的过程中，由于无需CPU干预，因而可使CPU与IO设备并行工作。仅当处理完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做中断处理 。但对于块设备，如果有100个字，则需要中断100次。

DMA方式（直接存储器方式）：

传输的基本单位------数据块。CPU与IO设备之间每次传送至少一个数据块。
所传送的数据从设备直接送入内存，或者相反。
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预。传送是在控制器的控制下完成的。
DMA方式较之中断驱动方式，又成百倍地减少了CPU对IO的干预，进一步提高了CPU与IO设备的并行程度。

从磁盘读入数据块时，CPU将一条读指令送至磁盘控制器的命令寄存器(CR)中
将数据读入的内存起始目标地址 送入内存地址寄存器 (MAR)中；将读数据的字（节）数 送入数据计数器(DC)中
将磁盘的源地址 送至DMA控制器的IO逻辑中。
启动DMA控制器进行数据传送，CPU便可以去处理其他任务。
此后，整个数据传送过程便由DMA控制器进行控制。
当DMA控制器已从磁盘读入一个字（节）的数据并送入数据寄存器(DR)后，将该字（节）传送到指定的内存单元中。
接着便对MAR内容加1，将DC内容减1.
若减1后DC内容不为0，表示传送未完，便继续传送下一个字（节）；
否则，由DMA控制器发出中断请求。

IO通道控制方式：

是DMA方式的发展，把对一个数据块的读写，改为对一组数据块的读写。

通道程序包含：

操作码
内存地址
计数
通道程序结束位P
记录结束标志R

e.g.

操作	P	R	计数	内存地址
Write	0	0	80	813
Write	0	0	140	1034
Write	0	1	60	5830
Write	0	1	300	2000
Write	0	0	250	1850
Write	1	1	250	720

多条指令操作的内存写到一起，通过R的值来识别（R=1代表这组数据块的结束）；通道程序的最后一条指令通过P来识别

与设备无关的IO软件

与设备无关的含义：应用程序中所用的设备，不必局限于使用某个具体的物理设备

与设备无关的IO软件在驱动之上，也称为设备独立性软件。

功能：

设备驱动程序的统一接口
缓冲管理
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

4个数据结构：

设备控制表DCT
控制器控制表COCT
通道控制表CHCT
系统设备表SDT

设备控制表：

设备控制表(DCT)
设备类型
设备标识符
设备状态
指向控制器表的指针
重复执行次数或时间
设备队列的队首指针

控制器控制表：

控制器控制表(COCT)
控制器标识符
控制器状态
指向通道表的指针
控制器队列的队首指针
控制器队列的队尾指针

通道控制表：

通道控制表(CHCT)
通道标识符
通道状态
与通道连接的控制器表首址
通道队列的队首指针
通道队列的队尾指针

系统设备表：

物理设备的分配过程：物理设备名→SDT→DCT→COCT→CHCT

设备分配时需要考虑的因素

设备的固有属性（独占设备、共享设备）
设备的分配算法（先来先服务、优先级高者优先）
设备分配中的安全性（安全分配方式、不安全分配方式）

用户层的IO软件

用户层的IO软件：包括帮助用户进程实现系统调用的库函数 和假脱机系统。

假脱机技术可以将一台物理IO设备虚拟为多台逻辑IO设备，这样也就允许多个用户共享物理IO设备。

假脱机系统：

其中的输入井和输出井是在硬盘上分出的空间进行数据存储。

Spooling系统（假脱机系统）的优势：

提高IO的速度
将独占设备改为共享设备
实现了虚拟设备功能

缓冲区管理

为什么引入缓冲区？

缓解CPU和IO设备速度不匹配的矛盾
减少对CPU的中断频率
解决数据粒度不匹配的问题
提高CPU和IO设备的并行性

单缓冲区：每当用户申请IO的时候，OS就给该用户分配一个缓冲区

双缓冲区：每当用户申请IO的时候，OS就给该用户分配两个缓冲区，也叫缓冲对换

双机通讯时的双缓冲区设置

也可以采用环形缓冲区：多个缓冲区形成唤醒的数据结构，类似生产者消费者问题

emq - empty queue

inq - in queue

ouq - out queue

收容输入：

c 复制代码

Getbuf(emq);
Putbuf(inq, hin);

提取输入：

c 复制代码

Getbuf(inq);
Putbuf(emq, sin);

收容输出：

c 复制代码

Getbuf(emq);
Putbuf(ouq, hout);

提取输出：

c 复制代码

Getbuf(ouq);
Putbuf(emq, sout);

磁盘存储器的性能和调度

磁盘调度算法：

先来先服务（FCFS）
最短寻道时间优先（SSTF）-要求访问的磁道与当前所在磁道之间的距离最短
扫描算法（SCAN）-在SSTF的基础上，要求考虑磁头的移动方向（会调转方向）
循环扫描算法（CSCAN）-磁头只朝一个方向移动