6-1设备管理IO组成IO软件

一、I/O系统

1.I/O系统的组成

• 用于输入、输出和存储信息的设备；
• 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；
  
  2.I/O软件的层次结构及层功能
  

3.I/O系统的基本功能

• 隐藏物理设备细节，方便用户
• 实现设备无关性，方便用户
• 提高处理机和设备的并行性
• 对I/O设备进行控制
• 确保对设备正确共享
• 错误处理

4.I/O系统的层次结构和模型

• 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。

5.I/O系统接口

• 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。
• 流设备接口：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。
• 网络通信接口：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。

6.I/O设备中的接口
与控制器的接口有三种类型的信号：

• 数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
• 控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
• 状态信号线
  7.I/O设备的分类
• 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

二、设备控制器

1.关于设备管理：

• 管理对象*： I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
• 基本任务*： 完成用户提出的I/O请求， 提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。 为更高层进程方便使用设备提供手段

2.设备控制器的基本功能

• 接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
• 标识和报告设备的状态（状态寄存器）
• 数据交换（数据寄存器）
• 地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
• 数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
• 差错控制

3.设备控制器组成

• 设备控制器与处理机的接口
• 设备控制器与设备的接口
• I/O逻辑

4.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。

4.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。
5.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
6.I/O通道——CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构
主要目的:建立更独立的I/O操作，解放CPU。

7.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

三、中断机构和中断处理程序
1.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）。

2.对多中断源的处理方式

• 屏蔽（禁止）中断：
• 嵌套中断
  3.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

四、I/O控制方式
数据走向：设备（磁盘）–控制器缓冲—进程的内存

• 1.程序I/O方式（忙—等待方式）

向控制器发送一条I/O指令；启动输入设备输入数据；把状态寄存器busy=1。
然后不断测试标志。为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测 试；直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中。
CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。

• 2.中断驱动I/O方式

CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行任务。
设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
这时CPU与I/O设备并行操作。
I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。

• 3.直接存储器访问DMA 方式（适用于读一个连续的数据块）
  特点：
  数据传输的基本单位是数据块；
  所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。
  CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

DMA控制器的组成：
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。

DMA控制器中的寄存器：
数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。

工作过程：
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到命令寄存器CR中,同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；

       接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。

4.I/O通道控制方式

DMA适用于读一个连续的数据块；
再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。
5.通道程序

• 通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。
  通道 通过执行通道程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
  CPU指令——>设备驱动程序解读——>通道程序——>通道
  五、设备独立性（无关性）
  1.用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；

2.好处

设备分配时的灵活性
易于实现I/O重定向
3.逻辑设备名到物理设备名的映射
a.逻辑设备表LUT（Logical Unit Table）
b.LUT的设置问题

整个系统设置一张LUT（设备重名问题）
为每个用户设置一张LUT，记入各自PCB。
4.设备分配

• 所需数据结构：

设备控制表（DCT）
控制器控制表（COCT）
通道控制表（CHCT）
系统设备（总）表（SDT）

• 独占设备的分配过程

基本分配步骤（一个有通道的例子）：

分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；

           状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。

分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；

          检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列

分配通道
COCT找到CHCT

        判断状态，…

当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输