操作系统I/O系统详解-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/ZXF1998/article/details/84886025

本文详细介绍了操作系统的I/O系统，包括I/O设备、设备控制器、中断机构、设备驱动程序、与设备无关的I/O软件，以及用户层的I/O软件。重点阐述了I/O系统的层次结构、中断处理过程、设备驱动程序的功能和特点，强调了中断、DMA和通道在提高CPU与I/O设备并行性方面的作用。此外，还讨论了设备的独立性、缓冲管理以及磁盘调度策略。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

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

输入输出系统 ——I/O系统
在这里插入图片描述
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；
在这里插入图片描述
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

知识点

I/O系统的组成

I/O系统的软件层次中断处理过程 I/O控制方式缓冲管理、设备分配、设备处理

磁盘调度

I/O系统的功能、模型和接口

I/O系统的基本功能及模型

1)主要功能：隐藏物理设备细节

实现设备无关性

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

2)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。

I/O软件的分层

①用户层软件

②设备独立软件

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

I/O软件系统的层次

中断处理程序

设备驱动程序

设备独立性软件
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：块设备接口流设备接口网络通信接口

2、I/O设备和设备控制器

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；

1）I/O设备的类型

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”

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

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。

常作成接口卡插入计算机可编址，不同类

控制一个设备时只有一个地址，若连接多个设备则含有多个设备地址管理的复杂性因不同设备而异，分为字符设备控制器、块设备控制器。

①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

②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

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。

驱动程序把抽象的I/O命令转换成一系列具体的命令、参数等数据；如何将上述数据装入设备控制器的相应寄存器？从而触发I/O逻辑运作，实施对设备的控制。

①利用特定的I/O指令

②内存映像I/O

③处理机与设备控制器间

3）I/O通道

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

3、中断机构和中断处理程序

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。

1.中断简介

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：

②嵌套中断：

2.中断处理程序

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

4、设备驱动程序

设备驱动程序——最了解设备控制器的人

1.驱动程序的功能

(1)接收由与上层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.设备驱动程序的特点

(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。（位置） (2)驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。（硬件特性） (3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。（硬件特性） (4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。 (5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。

3.设备处理方式

具体分类 (1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统； (2)在整个系统中设置一个I/O管理进程专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作； (3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。

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。

一次I/O由“驱动程序+中断程序”一块处理完成

驱动程序的处理过程中断处理程序的处理过程阅读课本说明，画流程图。

I/O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。

1）程序I/O方式

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。
在这里插入图片描述
中断方式比程序I/O方式更有效但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。 CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。

改进： CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断；多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入

3）直接存储器访问DMA 方式

①该方式的特点是：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。可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。

②DMA控制器的组成

DMA控制器由三部分组成：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。如下页图。
在这里插入图片描述

DMA控制器中的寄存器

为实现主机与控制器之间块数据的直接交换，必须设置如下四类寄存器：

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。

③DMA工作过程

4）I/O通道控制方式

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。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作“通道”。

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、与设备无关的I/O软件

设备独立性的基本含义：指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。为了实现设备独立性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。

【设备独立性（无关性）】

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

易于实现I/O重定向

逻辑设备名到物理设备名的映射

逻辑设备表LUT（Logical Unit Table）

LUT的设置问题

设备分配

多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。 1）数据结构 2）设备分配需考虑的因素 3）设备的分配过程

1）设备分配中的数据结构

记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：设备控制表控制器控制表通道控制表系统设备（总）表

①设备控制表（DCT）

②控制器控制表（COCT）

③通道控制表CHCT

④系统设备表（SDT）

2）设备分配需考虑的因素

设备固有属性：独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。设备分配算法（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种： FCFS 优先级高者优先设备分配的安全性：进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。设备独立性用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。

3）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

设备分配程序的改进细节增加设备的独立性进程使用逻辑设备名提出I/O请求。系统从SDT中依次找下去，直到找到一个该类设备中空闲可用的进行分配。考虑多通路情况控制器、通道也是反复查找，直到找到一条通路。

6、用户层的I/O软件

小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。

库函数（与应用程序链接）

假脱机技术（虚拟设备）

1)系统调用与库函数

2）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；如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？

假脱机技术

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。

SPOOLing系统的组成

输入井和输出井：

输入缓冲区和输出缓冲区

输入进程和输出进程。

SPOOLing技术的使用:打印输出过程:守护进程利用守护进程实现打印机共享打印机

SPOOLing系统的特点

提高了I/O的速度。

将独占设备改造为共享设备。

最终，实现了虚拟设备功能。

7、缓冲区管理

有”控制器”或”通道”的帮助后CPU可解放去做其他事物，提高了利用率。但分析单个程序内的执行 CPU计算工作需等待后续数据输入才可继续 CPU计算需等待数据输入完才能计算，虽然数据输入不需CPU干预，但CPU的解放也只是能去做其他程序，需切换工作，会产生开销。

缓冲管理

I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。

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）

1）单缓冲与多缓冲

单缓冲（Single Buffer）每当用户进程发出一I/O请求时，单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。

双缓冲（Double Buffer）

进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。

多缓冲引入

I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；

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。

2）循环缓冲(circular buffer)

①循环缓冲的组成

多个缓冲区。多个指针。

②循环缓冲区的使用

计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区 Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个 Releasebuf过程：计算进程：C->R 输入进程：C->G

③进程同步

3）缓冲池（Buffer Pool）

循环缓冲的问题不能同时双向通讯利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

①缓冲池的组成

对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：空缓冲区；装满输入数据的缓冲区；装满输出数据的缓冲区；为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列空缓冲区队列（所有进程都可用）输入队列（n个进程有各自的队列）输出队列（n个进程有各自的队列） *（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）

②缓冲区的工作方式

收容输入

提取输入

收容输出

提取输出

缓冲区的使用

Getbuf（队列，工作区） Putbuf（队列，工作区）同步控制每队设置一个互斥信号量MS；判断每个队列是否有可用的缓冲区，需一个资源信号量RS。获取缓冲区时P（RS），释放时V（RS）。

缓冲池：可双向缓冲；缓冲区整体利用率高。

8、磁盘存储器的性能和调度

磁盘性能简述

磁盘调度方法

磁盘高速缓存