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；

1、需要相应的设备控制器；

2、控制器与CPU连接的高速总线；

3、有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

4、I/O软件的层次结构及层功能：

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

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。

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

 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、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。  

流设备接口

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。

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、可随机访问的角色后备。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。

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

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：

所有中断都将按顺序依次处理。

当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。

优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。

②嵌套中断：

中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。

当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；

高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。

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

中断处理流程

测定是否有未响应的中断信号

保护被中断进程的CPU环境

转入相应的设备处理程序

中断处理

恢复CPU的现场

设备驱动程序——最了解设备控制器的人

设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：

接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；

再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。

反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。

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

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。

4. 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。

5.  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

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：

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

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。

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。

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。

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。

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

最后判断状态。