输入输出系统——I/O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

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

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。

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。

但cpu真的不需要干预么？

中断方式比程序I/O方式更有效

但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。

CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。

改进：CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断；多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入

3）直接存储器访问DMA 方式

①该方式的特点是：

1)数据传输的基本单位是数据块；

2)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。

3)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：

1.主机与DMA控制器的接口；

2.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：

1.数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。

2.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。

3.数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。

4.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”。

缓冲区管理

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。

引入缓冲区的主要原因：

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率

最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

使用缓冲区的方式：

1）单缓冲、多缓冲

2）循环缓冲

3）缓冲池（Buffer Pool）

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，

OS在主存中为之分配一个缓冲区。

CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。

单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。

多缓冲引入

I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。

但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；

为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。

  引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。

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。

主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区

Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程

计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。

输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个

Releasebuf过程：计算进程：C->R；输入进程：C->G

一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。

③进程同步

两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况：

1.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。

2.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（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。

系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。

池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用（如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池）

组织形式：队列及队列指针

磁盘存储器的性能和调度

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