操作系统笔记第六章

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)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。
3）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。
4）I/O系统接口
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）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”。
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。
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
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
3）I/O通道
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。
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
三.中断机构和中断处理程序
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
四设备驱动程序
1.驱动程序的功能
(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.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。
(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。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(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
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
4. 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
五.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
六.用户层的I/O软件
1)系统调用与库函数
不允许运行在用户态的应用进程，去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程。
应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务。
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
SPOOLing系统的组成
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。
SPOOLing系统的特点
提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。
将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。
最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一台独占设备。
七.缓冲区管理
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，
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。
2）循环缓冲
①循环缓冲的组成
多个缓冲区。大小相同，三种类型：
预备装输入数据的空缓冲区R
装满数据的缓冲区G
计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
多个指针。
指示正在使用的缓冲区C的指针Current
指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
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
③进程同步
Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。
Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。
3）缓冲池
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
八.磁盘存储器的性能和调度
1）磁盘性能简述
数据的组织和格式
盘片、面、磁道、扇区
为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块
与速度有关
磁盘类型
固定磁头（每道一磁头）
移动磁头（每盘一磁头）
访问时间的计算
寻道时间（到磁道）
旋转延迟（到扇区）
传输时间
2）磁盘调度方法
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