操作系统理论 第六章（输入输出系统）—第一节（I/O系统的功能、模型和接口）

写在前面：

1. 本系列笔记主要以《计算机操作系统（汤小丹…）》为参考，大部分内容出于此书，笔者的工作主要是挑其重点展示，另外配合下方视频链接的教程展开思路，在笔记中一些比较难懂的地方加以自己的一点点理解（重点基本都会有标注，没有任何标注的难懂文字应该是笔者因为强迫症而加进来的，可选择性地忽略）。
2. 视频链接：操作系统（汤小丹等第四版）_哔哩哔哩_bilibili

一、I/O系统的基本功能

        I/O系统管理的主要对象是I/O设备和相应的设备控制器，其最主要的任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率，以及提高设备的利用率，并能为更髙层的进程方便地使用这些设备提供手段。

1、隐藏物理设备的细节

        I/O设备的类型非常多，且彼此间在多方面都有差异，诸如它们接收和产生数据的速度、传输方向、粒度、数据的表示形式及可靠性等方面。为了对这些千差万别的设备进行控制，通常都为它们配置相应的设备控制器。

        设备控制器是一种硬件设备，其中包含有若干个用于存放控制命令的寄存器和存放参数的寄存器，用户通过这些命令和参数，可以控制外部设备执行所要求的操作。显然，对于不同的设备，需要有不同的命令和参数，如果要求程序员或用户编写直接面向这些设备的程序是很困难的，因此I/O系统必须通过对设备加以适当的抽象，以隐藏掉物理设备的实现细节，仅向上层进程提供少量的、抽象的读/写命令，如read、write等。

2、与设备的无关性

        一方面，用户不仅可以使用抽象的I/O命令，还可使用抽象的逻辑设备名来使用设备，例如当用户要输出打印时，他只须提供读（或写）的命令（提出对I/O的要求）和抽象的逻辑设备名，而不必指明是哪一台打印机；另一方面，也可以有效地提高OS的可移植性和易适应性，对于OS本身而言，应允许在不需要将整个操作系统进行重新编译的情况下，增添新的设备驱动程序，以方便新的I/O设备的安装。

3、提高处理机和I/O设备的利用率

        在一般的系统中，许多I/O设备间是相互独立的，能够并行操作，在处理机与设备之间也能并行操作，因此I/O系统的第三个功能是要尽可能地让处理机和I/O设备并行操作，以提高它们的利用率。为此，一方面要求处理机能快速响应用户的I/O请求，使I/O设备尽快地运行起来，另一方面也应尽量减少在每个I/O设备运行时处理机的干预时间。

4、对I/O设备进行控制

        对I/O设备进行控制是驱动程序的功能。目前对I/O设备有四种控制方式：采用轮询的可编程I/O方式、采用中断的可编程I/O方式、直接存储器访问方式、I/O通道方式。

5、确保对设备的正确共享

        从设备的共享属性上，可将系统中的设备分为如下几类：

        ①独占设备，进程应互斥地访问这类设备，即系统一旦把这类设备分配给了某进程后，便由该进程独占，直至用完释放。

        ②共享设备，是指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备（某一时刻只允许一个进程访问）。

        ③虚拟设备，指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使用。

6、错误处理

        大多数的设备都包括了较多的机械和电气部分，运行时容易出现错误和故障。从处理的角度，可将错误分为临时性错误和持久性错误。对于临时性错误，可通过重试操作来纠正，只有在发生了持久性错误时，才需要向上层报告。

        由于多数错误是与设备紧密相关的，因此对于错误的处理，应该尽可能在接近硬件的层面上进行，即在低层软件能够解决的错误就不向上层报告，因此高层也就不能感知，只有低层软件解决不了的错误才向上层报告，请求高层软件解决。

二、I/O系统的层次结构和模型

        将系统中的设备管理模块分为若干个层次，每一层都是利用其下层提供的服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。通常把I/O软件组织成四个层次，各层次及其功能如下：

        ①用户层I/O软件：实现与用户交互的接口，用户可直接调用该层所提供的、与I/O操作有关的库函数对设备进行操作。

        ②设备独立性软件：用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

        ③设备驱动程序：它处于I/O系统的次底层，与硬件直接相关，是进程和设备控制器之间的通信程序，其主要功能是将上层发来的抽象I/O请求转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制器中的命令和参数寄存器中，或者相反。

        ④中断处理程序：它处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互，当有I/O设备发来中断请求信号时，在中断硬件做了初步处理后，便转向中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断的进程。

        设备独立性软件、设备驱动程序和中断处理程序属于OS的内核部分，即“I/O系统”。

三、I/O系统接口

1、块设备接口

        所谓块设备，是指数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备，典型的块设备是磁盘。块设备的基本特征是传输速率较高，通常每秒钟为数MB到数十MB；另一特征是可寻址，即能指定数据的输入源地址及输出的目标地址，可随机地读/写盘中任一块。

        块设备接口是块设备管理程序与高层之间的接口，该接口反映了大部分磁盘存储器和光盘存储器的本质特征，用于控制该类设备的输入或输出。块设备在输入输出时，常采用DMA方式。

        块设备接口将磁盘上的所有扇区从0到n-1依次编号，n是磁盘中的扇区总数，经过这样编号后，就把磁盘的二维结构改变为一种线性序列，在二维结构中，每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示，或者说，块设各接口隐藏了盘地址是二维结构的情况。

        块设备接口支持上层发来的对文件或设备的打开、读、写和关闭等抽象命令，该接口将上达命令映射为设备能识别的较低层具体操作，例如上层发来读磁盘命令时，它先将抽象命令中的逻辑块号转换为磁盘的盘面、道和区等。

2、流设备接口

        流设备又称字符设备，所谓字符设备，是指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。字符设备的基本特征是传输速率较低，通常为每秒几个字节至数千字节；另一特征是不可寻址，即不能指定数据的输入源地址及输出的目标地址。字符设备在输入输出时，常采用中断驱动方式。

        由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。通常是为字符设备建立一个字符援冲区（队列），设备的I/O字符流顺序地进入字符缓冲区（读入），或从字符缓冲区顺序地送出到设备（输出）。用户程序获取或输出字符的方法是采用get和put操作，get操作用于从字符缓冲区取得一个字符（到内存），将它返回给调用者，而put操作则用于把一个新字符（从内存）输出到字符缓冲区中，以待送出到设备。

        因字符设备的类型非常多，且差异甚大，为了以统一的方式来处理它们，通常在流设备接口中提供了一种通用的in-control指令，在该指令中包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能。

        由于大多数流设备都属于独占设备，必须采取互斥方式实现共享，为此流设备接口提供了打开和关闭操作，在使用这类设备时，必须先用打开操作来打开设备，如果设备已被打开，则表示它正被其它进程使用。

3、网络通信接口

        在现代OS中都提供了面向网络的功能，但首先还需要通过某种方式把计算机连接到网络上，同时操作系统也必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使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。