I/O系统深入解析-优快云博客

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本章主要介绍设备管理与缓冲、磁盘的关系

I/O系统的功能、模型和接口
I/O设备和设备控制器

中断机构和中断处理程序

设备驱动程序

与设备无关的I/O软件
用户层的I/O软件

缓冲区管理

磁盘存储器的性能和调度

一：I/O系统的功能、模型和接口
1.主要功能：

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
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。
提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
错误处理

2.模型

在这里插入图片描述
3.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：
• 块设备接口
• 流设备接口
网络通信接口

二.I/O设备和设备控制器
1.类型
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

2.设备控制器
 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。

3.IO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。

三.中断机构和中断处理程序

1.中断和陷入
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。
2.主要工作
 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

四.设备驱动程序
设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：
• 接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
• 再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
• 反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。

1.功能
 (1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；
 (2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，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，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
 (4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
2. 驱动程序处理过程
 I/O设备与控制器间的通信转换程序
• 了解抽象命令，了解控制器内部的寄存器结构
 与硬件密切相关，每类设备配备一种驱动程序
• 功能：接受解释指令（有通道的系统，自动通道程序）、相关判断、发送设备命令、响应中断
• 特点，控制方式不同程序不同，部分固化进硬件，代码可重入。

3.IO控制方式
 程序I/O方式
 中断驱动I/O方式
 直接存储器访问DMA（字节—块）
 I/O通道控制方式（组织传送的独立）
 宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

4.通道程序

 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。
 通道程序由一系列通道指令构成。
CPU指令设备驱动程序解读通道程序通道
 通道指令一般包含下列信息：

操作码。规定指令所执行的操作。
内存地址。
计数。表示本指令所要操作的字节数。
通道程序结束位。用以表示程序是否结束。
记录结束标志。表示该指令是否与下条指令有关。

5.设备独立性
 用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；
好处：

设备分配时的灵活性
3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机
易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。

五.用户层IO
1.设备分配中的虚拟技术
—— SPOOLing技术
 虚拟性是OS的四大特征之一。
 多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机；
 多道程序技术，专门利用程序模拟脱机I/O的外围机，完成设备I/O操作。
• 称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术（Simultaneaus Periphernal Operating On—Line，或称为假脱机操作）
• 一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟，多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。
2.SPOOLING组成
主要有三大部分（如下页图）

输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。
输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。
输入进程和输出进程。
• 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上；
• 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

六.缓冲区
1.
 引入缓冲区的主要原因：
 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
 缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率
 最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。
 使用缓冲区的方式：
1）单缓冲、多缓冲
2）循环缓冲
3）缓冲池（Buffer Pool）

2.多缓冲
为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。
引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。
七.磁盘存储器的性能和调度
1. 对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。
目标：使平均寻道时间最少。
算法：
• FCFS
• 最短寻道时间优先SSTF
• 扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
循环扫描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法

2.FCFS

 个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。
 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。

3.SSTF

 选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求
• 使每次磁头移动时间最少。
• 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。
• 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。

4.其他

 循环扫描CSCAN
 SCAN的错过问题：
• 容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。
 修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
• 由里向外后，再由里向外。
 N-Step-SCAN
 前述最近寻道算法共同问题：
• “磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
• 如现有一系列请求：
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法，从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….