【操作系统】I/O系统

操作系统I/O系统题库 网络课课后题 1、下列I/O控制方式中,哪一个不需要硬件支持? A、轮询方式 B、中断方式 C、DMA方式 D、I/O处理机方式 解析: 2、下列关于虚设备技术的叙述中,哪一个是错误的? A、虚设备技术是指在一类设备上模拟另一类设备的技术 B、引入虚设备技术是为了提高设备利用率 C、通常采用虚设备技术是用低速设备来模拟高速设备 D、SPOOLing技术是一类典型的虚设... 阅读详情

1 I/O硬件组成

1.1 设备接口——控制器的作用

  • 操作系统将命令写入控制器的接口寄存器(或接口缓冲区)中,以实现输入/输出,并从接口寄存器读取状态信息或结果信息。

  • 控制器的任务:把串行的位流转换为字节块,并进行必要的错误修正。

    首先,控制器按位进行组装,然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块;在对块验证检查和并证明无错误时,再将它复制到内存中。

1.2 I/O端口地址

定义:接口电路中每个寄存器具有的、唯一的地址,是个整数。

I/O指令形式与I/O地址是相互关联的,主要有两种形式:

I/O指令形式定义优点缺点
I/O独立编址(I/O专用指令)分配给系统中所有端口的地址完全独立外设不占用内存的地址空间;易于区分是对内存操作还是I/O操作I/O端口操作指令类型少,不灵活
内存映像编址(内存映像I/O模式)分配给系统中所有的地址空间与内存的地址空间统一编址凡是可对内存操作的指令都可对I/O端口操作,不需要专门的I/O指令占用内存空间

2 I/O控制方式

I/O控制方式定义
可编程I/O(轮询/查询)由CPU代表进程给I/O模块发送I/O命令,进程进入忙等待状态直到操作完成
中断驱动I/O为了减少设备驱动程序不断询问控制器状态寄存器的开销,I/O操作结束后由设备控制器主动通知设备驱动程序
DMA直接的内存存取,由专门的控制器完成

2.1 轮询方式流程

在这里插入图片描述

2.2 中断驱动I/O方式流程

在这里插入图片描述

3 缓冲技术

为了解决CPU与I/O设备之间速度不匹配的问题。凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

3.1 缓冲技术的实现

1 分类

缓冲区分类实现机制
硬缓冲由硬件寄存器实现
软缓冲在内存开辟一个空间用作缓冲区

2 缓冲区管理

分类实现
单缓冲
双缓冲
缓冲池统一管理多个缓冲区,采用有界缓冲区的生产者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用

3 Unix的System V缓冲技术

设计理念

采用缓冲池技术:

  • 缓冲区结合提前读和延迟写技术对就有重复性及阵发性I/O进程很有帮助
  • 可以充分利用之前从磁盘读入、虽已传入用户区但仍在缓冲区的数据。

数据结构

缓冲池:由200个缓冲区组成,每个缓冲区包括两个部分:缓冲首部+缓冲数据区。

缓冲区由两种队列构成:

1、空闲缓冲区队列(av链):队列头部为bfreelist

2、设备缓冲队列(b链):链接所有分配给各类设备使用的缓冲区,按照散列的方式组织

每个缓冲区可以同时在av链和b链存在。开始时当缓冲区未被使用时在空闲av链。当开始I/O请求时,有缓冲区会被分配给I/O请求,此时这些缓冲区就会出现在设备I/O请求队列和设备b链。当I/O完成后,设备I/O请求队列中的缓冲区就会还给av链,此时缓冲区在av链和设备b链中都存在。

实现机制

当进程想从指定的盘读取数据时:

  • 系统根据盘块号从设备b链中查找,如果找到,则将该缓冲区状态标记为“忙”,并从空闲av队列中取下,再完成从缓冲区到内存用户区的数据传送;
  • 如果在设备b链中没有找到,则从空闲av链队首摘取一个缓冲区,插入设备I/O请求队列,并从原设备b链取下,插入到新的设备b链中(该新链由读入信息盘块号确定);
  • 当系统完成从缓冲区到内存用户区的数据传送后,要把缓冲区释放,链入空闲av链队尾;
  • 当数据从磁盘块读入到缓冲区并传送到内存用户区之后,该缓冲区一直保留在原设备b链中,即它的数据一直有效。若又要使用它,则从空闲av链中取下,使用完后插入到空闲av链队尾。若一直未使用则该缓冲区从空闲av链慢慢升到队首,最后被重新分配。

4 I/O性能问题

  • 减少或缓解速度差距—>缓冲技术
  • 使CPU不等待I/O—>异步I/O
  • 让CPU摆脱I/O操作—>DMA、通道

4.1 同步传输I/O流程

在I/O处理过程中,CPU处于空闲等待状态,而在处理数据的过程中,不能同时进行I/O操作。

4.2 异步传输I/O的基本思想

将访问控制分成两段进行;

发出读取指令后继续做其他操作;

当需要用读入的数据的时候,再使用wait命令等待其完成;

不引入线程切换,减少上下文开销的消耗。

《操作系统》总结五(I/O管理) 输入输出管理本章主要内容: I/O管理概述(I/O控制方式、I/O软件层次结构)和I/O核心子系统(I/O调度概念、局速缓存与缓冲区、设备分配与回收、假脱机技术(SPOOLing))。 5.1 I/O设备及其分类 I/O设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战性的部分。由于它包含了很多领域的不同设备以及与设备相关的应用程序,因此很难有一个通用且一致的设计方案。所以在理解设备管理之前, 阅读详情

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深度学习工具包Deprecation notice.-----This toolbox is outdated and no longer maintained.There are much better tools available for deep learning than this toolbox, e.g. [Theano](http://deeplearning.net/software/theano/), [torch](http://torch.ch/) or [tensorflow](http://www.tensorflow.org/)I would suggest you use one of the tools mentioned above rather than use this toolbox.Best, Rasmus.DeepLearnToolbox================A Matlab toolbox for Deep Learning.Deep Learning is a new subfield of machine learning that focuses on learning deep hierarchical models of data.It is inspired by the human brain's apparent deep (layered, hierarchical) architecture.A good overview of the theory of Deep Learning theory is[Learning Deep Architectures for AI](http://www.iro.umontreal.ca/~bengioy/papers/ftml_book.pdf)For a more informal introduction, see the following videos by Geoffrey Hinton and Andrew Ng.* [The Next Generation of Neural Networks](http://www.youtube.com/watch?v=AyzOUbkUf3M) (Hinton, 2007)* [Recent Developments in Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=VdIURAu1-aU) (Hinton, 2010)* [Unsupervised Feature Learning and Deep Learning](http://www.youtube.com/watch?v=ZmNOAtZIgIk) (Ng, 2011)If you use this toolbox in your research please cite [Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data](http://www2.imm.dtu.dk/pubdb/views/publication_details.php?id=6284)```@MASTERSTHESIS\{IMM2012-06284, author = "R. B. Palm", title = "Prediction as a candidate for learning deep hierarchical models of data", year = "2012",}```Contact: rasmusbergpalm at gmail dot comDirectories included in the toolbox-----------------------------------`NN/` - A library for Feedforward Backpropagation Neural Networks`CNN/` - A library for Convolutional Neural Networks`DBN/` - A library for Deep Belief Networks`SAE/` - A library for Stacked Auto-Encoders`CAE/` - A library for Convolutional Auto-Encoders`util/` - Utility functions used by the libraries`data/` - Data used by the examples`tests/` - unit tests to verify toolbox is workingFor references on each library check REFS.mdSetup-----1. Download.2. addpath(genpath('DeepLearnToolbox'));Example: Deep Belief Network---------------------```matlabfunction test_example_DBNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit RBM and visualize its weightsrand('state',0)dbn.sizes = [100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);figure; visualize(dbn.rbm{1}.W'); % Visualize the RBM weights%% ex2 train a 100-100 hidden unit DBN and use its weights to initialize a NNrand('state',0)%train dbndbn.sizes = [100 100];opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;opts.momentum = 0;opts.alpha = 1;dbn = dbnsetup(dbn, train_x, opts);dbn = dbntrain(dbn, train_x, opts);%unfold dbn to nnnn = dbnunfoldtonn(dbn, 10);nn.activation_function = 'sigm';%train nnopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.10, 'Too big error');```Example: Stacked Auto-Encoders---------------------```matlabfunction test_example_SAEload mnist_uint8;train_x = double(train_x)/255;test_x = double(test_x)/255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);%% ex1 train a 100 hidden unit SDAE and use it to initialize a FFNN% Setup and train a stacked denoising autoencoder (SDAE)rand('state',0)sae = saesetup([784 100]);sae.ae{1}.activation_function = 'sigm';sae.ae{1}.learningRate = 1;sae.ae{1}.inputZeroMaskedFraction = 0.5;opts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;sae = saetrain(sae, train_x, opts);visualize(sae.ae{1}.W{1}(:,2:end)')% Use the SDAE to initialize a FFNNnn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm';nn.learningRate = 1;nn.W{1} = sae.ae{1}.W{1};% Train the FFNNopts.numepochs = 1;opts.batchsize = 100;nn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.16, 'Too big error');```Example: Convolutional Neural Nets---------------------```matlabfunction test_example_CNNload mnist_uint8;train_x = double(reshape(train_x',28,28,60000))/255;test_x = double(reshape(test_x',28,28,10000))/255;train_y = double(train_y');test_y = double(test_y');%% ex1 Train a 6c-2s-12c-2s Convolutional neural network %will run 1 epoch in about 200 second and get around 11% error. %With 100 epochs you'll get around 1.2% errorrand('state',0)cnn.layers = { struct('type', 'i') %input layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 6, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %sub sampling layer struct('type', 'c', 'outputmaps', 12, 'kernelsize', 5) %convolution layer struct('type', 's', 'scale', 2) %subsampling layer};cnn = cnnsetup(cnn, train_x, train_y);opts.alpha = 1;opts.batchsize = 50;opts.numepochs = 1;cnn = cnntrain(cnn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = cnntest(cnn, test_x, test_y);%plot mean squared errorfigure; plot(cnn.rL);assert(er<0.12, 'Too big error');```Example: Neural Networks---------------------```matlabfunction test_example_NNload mnist_uint8;train_x = double(train_x) / 255;test_x = double(test_x) / 255;train_y = double(train_y);test_y = double(test_y);% normalize[train_x, mu, sigma] = zscore(train_x);test_x = normalize(test_x, mu, sigma);%% ex1 vanilla neural netrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samples[nn, L] = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.08, 'Too big error');%% ex2 neural net with L2 weight decayrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.weightPenaltyL2 = 1e-4; % L2 weight decayopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex3 neural net with dropoutrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.dropoutFraction = 0.5; % Dropout fraction opts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex4 neural net with sigmoid activation functionrand('state',0)nn = nnsetup([784 100 10]);nn.activation_function = 'sigm'; % Sigmoid activation functionnn.learningRate = 1; % Sigm require a lower learning rateopts.numepochs = 1; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 100; % Take a mean gradient step over this many samplesnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex5 plotting functionalityrand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]);opts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through datann.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, train_x, train_y, opts);[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');%% ex6 neural net with sigmoid activation and plotting of validation and training error% split training data into training and validation datavx = train_x(1:10000,:);tx = train_x(10001:end,:);vy = train_y(1:10000,:);ty = train_y(10001:end,:);rand('state',0)nn = nnsetup([784 20 10]); nn.output = 'softmax'; % use softmax outputopts.numepochs = 5; % Number of full sweeps through dataopts.batchsize = 1000; % Take a mean gradient step over this many samplesopts.plot = 1; % enable plottingnn = nntrain(nn, tx, ty, opts, vx, vy); % nntrain takes validation set as last two arguments (optionally)[er, bad] = nntest(nn, test_x, test_y);assert(er < 0.1, 'Too big error');```[![Bitdeli Badge](https://d2weczhvl823v0.cloudfront.net/rasmusbergpalm/deeplearntoolbox/trend.png)](https://bitdeli.com/free "Bitdeli Badge")

【操作系统概念】第13章:I/O系统

计算机的两个主要工作是I/O和处理。在很多情况下,主要工作是I/O,而处理只是附带的。例如,当浏览网页或编辑文件时,直接兴趣是读取或输入信息,而非计算答案。计算机的操作系统I/O功能是,管理和控制I/O操作和I/O设备。虽然其他章节也讨论了有关问题,但是这里汇集所有部分,以便给出一幅完整I/O图。首先,描述I/O硬件的基础知识,因为硬件接口本身对操作系统的内部功能有所限制。接着,讨论操作系统提供的 I/O服务以及这些服务的应用程序I/O接口的实现。

zzzzzyliu的博客 1098

操作系统(15)I/O硬件

操作系统——I/O硬件篇

m0_73399576的博客 1452

操作系统-I/O系统

文章目录操作系统-I/O系统 操作系统-I/O系统

北大虫师的博客 1191

操作系统-I/O

操作系统22 I/O 文章目录I/O特点设备分类同步异步 I/OI/O 结构设备寄存器I/O地址CPU与设备的通讯方式I/O指令内存映射I/O内核I/OI/O请求生命周期I/O数据传输程序控制I/ODMA直接寻址读取I/O设备通知操作系统的方式磁盘调度和缓存 I/O特点 设备分类 字符设备 以字节为单位顺序访问 通常使用文件访问接口和语义 块设备 均匀的数据块访问 通常使用I/O命令...

cloudybear的博客 327
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少侠露飞
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