1)隐藏物理设备细节,方便用户 用户使用抽象的I/O命令即可
2)实现设备无关性,方便用户 用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备,同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
3)提高处理机和设备的并行性,提高利用率:缓冲区管理
4)对I/O设备进行控制:控制方式、设备分配、设备处理
5) 确保对设备正确共享:虚拟设备及设备独立性等
6) 错误处理
层次结构:系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作:下层为上层提供服务,完成输入输出功能中的某些子功能,并屏蔽功能实现的细节。
1) I/O软件的分层
①用户层软件 实现与用户交互的接口,用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数,对设备进行操作。
②设备独立软件 用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等,同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
③设备驱动程序 与硬件直接相关,用于具体实现系统对设备发出的操作指令,驱动I/O设备工作的驱动程序。
④中断处理程序 用于保存被中断进程的CPU环境,转入相应的中断处理程序进行处理,处理完后再恢复被中断进程的现场后,返回到被中断进程。
2) I/O系统接口
在I/O系统与高层接口中,根据设备类型的不同,又进一步分为若干个接口。主要包括:
①块设备接口 :
块设备:
数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
特点 :
隐藏了磁盘的二维结构:块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况:每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
将抽象命令映射为低层操作:块设备接口将上层发来的抽象命令,映射为设备能识别的较低层具体操作。
②流设备接口
字符设备: 数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址,常采用中断驱动方式。
get和put操作: 由于字符设备是不可寻址的,因而对它只能采取顺序存取方式。(用户程序)获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
in-control指令: 因字符设备的类型非常多,且差异甚大,系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们(包含了许多参数,每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能)。
③网络通信接口
通过某种方式,把计算机连接到网络上。
操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口,使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信,或上网浏览。
I/O系统的组成包括:
需要用于输入、输出和存储信息的设备; 需要相应的设备控制器; 控制器与CPU连接的高速总线; 有的大中型计算机系统,配置I/O通道;
I/O设备的类型繁多,从OS的观点,按其重要的性能指标进行分类如下:
按传输速率分类: 低速、中速、高速(键盘、打印机、磁盘)
使用:存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类:
块设备:有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备:无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
按设备的共享属性分类:
独占:打印机
共享:一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
虚拟:使一台独占设备变换为若干台逻辑设备,供给若干用户“同时使用”。
设备并不直接与CPU通信
计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口,作为中间人接收从CPU发来的命令,并去控制I/O设备工作,以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
①基本功能
Ⅰ接收和识别CPU命令(控制寄存器:存放命令和参数) Ⅱ标识和报告设备的状态(状态寄存器) Ⅲ数据交换(数据寄存器) Ⅳ地址识别(控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器) Ⅴ数据缓冲(协调I/O与CPU的速度差距) Ⅵ差错控制
②组成
Ⅰ设备控制器与处理机的接口 Ⅱ设备控制器与设备的接口 ⅢI/O逻辑
I/O逻辑
通过一组控制线与处理机交互 CPU要启动一个设备时, 将启动命令发送给控制器; 同时通过地址线把地址发送给控制器 控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码,再根据所译出的命令选择设备进行控制。
③处理机与设备控制器间
实现CPU与设备控制器之间的通信。
共有三类信号线:
数据线:数据线通常与两类寄存器相连接,第一类是数据寄存器;第二类是控制/状态寄存器。
地址线
控制线
①I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预 (如承担了选择设备,数据转换、缓冲等功能) 但当主机的外设很多时,CPU的负担仍然很重。 在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构:“通道”
设置通道后 CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。 通道形成通道程序,执行I/O操作,完成后向CPU发中断信号。
主要目的: 建立更独立的I/O操作,解放CPU。 数据传送的独立 I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机: 指令类型单一,只用于I/O操作; 通道没有内存,它与CPU共享内存
②通道类型 根据其控制的外围设备的不同类型,信息交换方式也可分为以下三种类型:
字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道
③“瓶颈”问题
由于通道价格昂贵,致使数量较少,使它成为I/O系统的瓶颈,进而造成系统吞吐量的下降。
解决“瓶颈”问题最有效的办法便是增加设备到主机间的通路而不增加通道
中断在操作系统中有特殊而重要的地位,没有它就不可能实现多道程序。 中断是I/O系统最低的一层,也是设备管理的基础。
⑴中断和陷入
中断:CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应,中断是由外部设备引起的,又称外中断。
陷入:由CPU内部事件所引起的中断,通常把这类中断称为内中断或陷入(trap)。
中断和陷入的主要区别:是信号的来源。
⑵中断向量表
中断向量表:为每种设备配以相应的中断处理程序,并把该程序的入口地址,放在中断向量表的一个表项中,并为每一个设备的中断请求,规定一个中断号,它直接对应于中断向量表的一个表项中。
⑶对多中断源的处理方式
①屏蔽(禁止)中断:
所有中断都将按顺序依次处理。 当处理机正在处理一个中断时,将屏蔽掉所有新到的中断,让它们等待,直到处理机已完成本次中断的处理后,处理机再去检查并处理。 优点是简单,但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
②嵌套中断:
中断优先级:系统根据不同中断信号源,对服务要求的紧急程度的不同,它们分别规定不同的优先级。 当同时有多个不同优先级的中断请求时,CPU优先响应最高优先级的中断请求; 高优先级的中断请求,可以抢占正在运行低优先级中断的处理机,该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。
主要工作 ①进行进程上下文的切换 ②对处理中断信号源进行测试 ③读取设备状态 ④修改进程状态
中断处理流程 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