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

1. 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）
2. 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）
3. 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。
4. 传送参数
5. 启动IO设备，传送指令
6. 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）：

1. 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）
2. 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。
3. 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。
4. 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）：

1. 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。
2. 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。
3. 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）：

1. 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。
2. 所传送的数据从设备直接送入内存，或者相反。
3. 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。
4. 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。

1. 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
2. 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
3. 将磁盘的源地址送至DMA控制器的IO逻辑中。
4. 启动DMA控制器进行数据传送，CPU便可以去处理其他任务。
5. 此后，整个数据传送过程便由DMA控制器进行控制。
6. 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。
7. 接着便对MAR内容加1，将DC内容减1.
8. 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）；
9. 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：

1. 设备驱动程序的统一接口
2. 缓冲管理
3. 差错控制
4. 对独立设备的分配与回收
5. 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

1. 设备的固有属性（独占设备、共享设备）
2. 设备的分配算法（先来先服务、优先级高者优先）
3. 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：

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

提取输入：

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

收容输出：

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

提取输出：

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