操作系统第六章

输入输出系统 ——I/O系统

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系统的基本功能及模型
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。
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。

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）。

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。
1）程序I/O方式
cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式
向控制器发送一条I/O指令；启动输入设备输入数据；把状态寄存器busy=1。
然后不断测试标志。为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测试；直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中。
CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。
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。

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。
③DMA工作过程
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到命令寄存器CR中。
同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。
4）I/O通道控制方式
DMA适用于读一个连续的数据块；
如一次读多个数据块到内存不同区域，须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。
再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。

• CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，提高整系统资源利用率。

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。
1）单缓冲与多缓冲

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(circular buffer)




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。


缓冲区的使用
*Getbuf（队列，工作区）
*Putbuf（队列，工作区）
*同步控制
1.每队设置一个互斥信号量MS；
2.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）。