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；
关于设备管理
n管理对象：
¨I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
n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
1. 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
n层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
n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软件系统的层次
n中断处理程序
¨处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
n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
n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
n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
块设备接口
n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。
n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
n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。
nget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。
nin-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
n通过某种方式，把计算机连接到网络上。
n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）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：
Ø按传输速率分类：
Ø低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
Ø使用：存储设备、输入输出设备
Ø按信息交换的单位分类：
Ø块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
Ø字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
Ø按设备的共享属性分类：
Ø独占：打印机
Ø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。
Ø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
n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
n设备并不直接与CPU通信
n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。
n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。
n常作成接口卡插入计算机
n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。
n①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
n②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处理机与设备控制器间
n实现CPU与设备控制器之间的通信。
n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
主要目的：
n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。
n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
n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：
1)字节多路通道
2)数组选择通道
3)数组多路通道
n数组选择通道
¨针对高速设备：分配型子通道
¨设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。
¨利用率低。
n数组多路通道
¨结合上述两种方式。
¨含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。
中断
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
n⑴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。
n⑶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。
n②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。
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。
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。
设备独立性（无关性）
用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；
好处：
1.设备分配时的灵活性
3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机
2.易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。
程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。
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