《操作系统》知识点整理（十一）输入输出系统——I/O系统

6-1设备管理 IO组成 IO软件

1、IO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；

 

I/O软件的层次结构及层功能：

 

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

 

2. I/O系统的基本功能及模型

1)主要功能：

1.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

2.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。

3.提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理

4.对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理

5.确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等

6.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

¨实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、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

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

用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

3.I/O软件系统的层次

中断处理程序

处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互

设备驱动程序

处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序

功能：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其中的命令和参数寄存器中

设备独立性软件

包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件

4.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

 

块设备

数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。

特点

隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。

将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。 

 

字符设备：

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。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。

get和put操作：

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。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。

in-control指令：

因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（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）。

 

网络通信接口

通过某种方式，把计算机连接到网络上。

操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得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。

 

4.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

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

 

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

1.接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）

2.标识和报告设备的状态（状态寄存器）

3.数据交换（数据寄存器）

4.地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）

5.数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）

6.差错控制

 

②组成

1.设备控制器与处理机的接口

2.设备控制器与设备的接口

3.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

早期计算机中：每个控制寄存器分配一个I/O端口，用8或16位整数标记；设置一些特定I/O指令。

CPU寄存器 —> 控制器寄存器

io-store cpu-reg，dev-no，dev-reg

CPU寄存器 —>内存

store cpu-reg，k

②内存映像I/O

统一了对内存和对控制器的访问的方法，简化了I/O的编程。

 

编址不区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都采用k。

当k值处于0—n-1范围时，被认为是内存地址

若k大于等于n时，被认为是某个控制器的寄存器地址。

③处理机与设备控制器间

实现CPU与设备控制器之间的通信。

共有三类信号线：

数据线：数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器；第二类是控制/状态寄存器。

地址线

控制线

 

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