操作系统快速入门笔记--5

这一节主要记录的是操作系统设备管理的知识

I/O设备

现代计算机系统通常配备大量的I/O设备，用于计算机系统与外部世界（如用户、其它计算机或电子设备等）进行信息交换或存储
I/O设备又称为外围设备或外部设备，简称外设
I/O操作：内存和I/O设备之间的信息传送操作

• 不仅影响计算机的通用性和可扩充性，也是计算机
  系统综合处理能力和性价比的重要因素

分类

按信息传输方式分：
输入设备，输出设备，输入输出设备
按交互功能分：
人机交互设备，存储设备，机机通信设备
按设备管理分配：
字符设备
块设备：以固定大小的数据块进行信息交换
网络设备：用于与远程设备通信

设备管理的目标

克服设备和CPU速度的不匹配所引起的问题，使主机和设备并行工作，提高设备使用效率。
对设备进行抽象，屏蔽设备的物理细节和操作过程，配置驱动程序，提供统一界面，供用户或高层软件使用。

1. 抽象位文件系统的结点，统一管理
2. 裸设备：不被操作系统直接管理，由应用程序读写，I/O效率更高

设备管理的功能

1. 设备中断处理
2. 缓冲区管理
3. 设备的分配和去配
4. 设备驱动调度
5. 实现虚拟设备

设备管理的层次

1. I/O硬件 I/O设备及其接口线路，控制部件，通道
2. I/O软件 系统I/O软件 用户空间I/O软件

设备控制器

为达到模块化和通用性的设计目标，通常将I/O设备中的机械部件和电子部件分开处理。
其中，电子部件称为设备控制器。
设备控制器又称为设备适配器、I/O控制器、I/O
控制接口，简称I/O模块或I/O接口。
操作系统与控制器交互，而非与设备交互。

设备控制器的功能

设备控制器是CPU与设备之间的接口，功能如下：

1. 接受和识别CPU或通道发来的命令
2. 实现数据交换
3. 发现和记录设备及自身的状态信息，供CPU处理使用
4. 当连接多台设备时，设备地址识别。

设备控制器的组成 设备控制器的组成部分.png

轮询方式

1. 处理器向控制器发送一个I/O命令。
2. 如果设备未就绪，则重复测试过程，直至设备就绪。
3. 执行数据交换。

4. 等待I/O操作完成后，才可以继续其它操作。

   
   轮询方式.png
   

   特点：

5. 处理I/O请求会终止原程序的执行
6. CPU需要等待I/O设备就绪
7. CPU需要参与数据传送
8. CPU和设备只能串行工作，效率低下。

中断方式

流程：

1. 处理器向控制器发出一个I/O命令，然后继续执行后续指令

• 如果该进程不需要等待I/O完成，后续指令可以仍是该进程中的指令
• 否则，该进程在这个中断上挂起，处理器执行其他工作

2. 控制器检查设备状态，就绪后发起中断
3. CPU响应中断，转向中断处理程序
4. 中断处理程序执行数据读写操作

5. 恢复执行原先程序

   
   中断方式.png
   

   特点：

6. 响应终端后会终止源程序的执行
7. CPU不需要等待I/O设备就绪
8. CPU需要参与数据传送
9. CPU与设备部分并行操作，效率有所提高

直接存储器访问（DMA）方式

DMA模块：模拟处理器来访问主存和设备控制器之间的数据交换。

流程：

1. 处理器向DMA模块发出I/O命令
2. 处理器继续执行其它工作，DMA模块负责传送
   全部数据

3. 数据传送结束后，DMA中断处理器。

   
   DMA.png

特点：

1. CPU不会终止源程序的执行
2. CPU只在数据传送的开始和结束时参与

• 开始时，CPU需要对DMA模块进行初始化
• 结束时，CPU响应中断，但不必保存现场

DMA方式中的周期窃取

当DMA和CPU同时经总线访问内存时，CPU总是将总线的占有权让给DMA一个或几个主存周期
周期窃取对延迟CPU与主存的数据交换影响不大

1. 数据传送过程是不连续的和不规则的

2. CPU大部分情况下与Cache进行数据交换，直接访
   

   问内存较少。 CPU在IO控制中的作用.png

I/O通道

又称为通道控制器、I/O处理器
设备控制器包含自身专用的处理器和通道程序

1. I/O指令不再由处理器执行，而是存在主存中，由I/O通道所包含的处理器执行
2. 采用四级连接：处理器，通道，控制器，设备
   可控制多台同类或不同类的设备

流程：

1. CPU在遇到I/O请求的时候启动制定通道。
2. 一旦启动成功，通道开始控制I/O设备进行操作，CPU执行其他任务
3. I/O操作完成后，I/O通道发出中断，CPU停止当前工作，转向处理I/O操作结束事件

CPU与通道并行工作。

带有局部存储器的I/O通道

总线

解决I/O设备速度不匹配的问题。
要使得主机和设备充分并行，提高系统效率。

单总线结构模型

将CPU、主存和I/O模块连接到同一组总线上
优点：结构简单，易于扩充
缺点：主存需要和I/O模块共用总线；设备增多会造成总线变长，进而增加传输时延；无法适用于大量高速设备。

三级总线

主存和Cache通过主存总线传送数据，主存总线和扩展总线上的I/O设备之间传送数据通过扩展总线接口缓冲。

优点：主存与I/O之间的数据传送与处理器的活动分离；
可以支持更多的I/O设备。
缺点：不适用于I/O设备数据速率相差太大的情形。

三级总线.png

采用南北桥的多级总线

通过存储总线、PCI总线、E(ISA)总线分别连接主存、高速I/O设备和低速I/O设备
优点：可以支持不同数据速率的I/O设备

南北桥.png

采用I/O通道的多级总线

支持CPU、主存和多个I/O通道之间的数据传送

支持I/O通道和I/O控制器，以及I/O控制器和设备之间的数据传送。 采用I/O通道的多级总线.png

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下面介绍I/O软件

I/O软件

设计目标：

1. 高效率：改善设备效率，尤其是磁盘I/O操作的效率
2. 通用性： 用统一的标准来管理所有设备

设计思路：把软件组织成层次结构，低层软件用来屏蔽硬件细节，高层软件向用户提供简洁友善的界面。

主要考虑的问题：

1. 设备无关性：编写访问文件的程序与具体设备无关。
2. 出错处理：低层软件能处理的错误不让高层软件感知。
3. 同步/异步传输： 支持阻塞和中断驱动两种工作方式。
4. 缓冲技术：建立数据缓冲区，提高吞吐率。

I/O软件的层次结构

IO软件的层次结构.png

I/O中断处理程序

位于操作系统底层，与硬件设备密切相关，与系统其余部分尽可能少地发生联系。
进程请求I/O操作时，通常被挂起，直到数据传输结束后并产生I/O中断时，操作系统接管CPU后转向中断处理程序。
当设备向CPU提出中断请求时，CPU响应请求并转入中断处理程序。

功能：
检查设备状态寄存器的内容，判断中断产生的原因，根据I/O操作的完成情况进行相应的处理。

1. 若数据传输有错，向上层软件报告设备的出错信息，实施重新执行。
2. 若正常结束，唤醒等待传输的进程，使其转换为就绪态。
3. 若有等待传输的I/O命令，通知相关软件启动下一个I/O请求。

设备驱动程序

包括与设备密切相关的所有代码。
从独立于设备的软件中接收并执行I/O请求

1. 把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行。
2. 监督设备是否正确执行，管理数据缓冲区，进行必要的纠错处理。

功能：

1. 设备初始化：在系统初次启动或设备传输数据时，预置设备和控制器以及通道状态。
2. 执行设备驱动例程：负责启动设备，进行数据传送。对于具有通道方式，还负责生成通道指令和通道程序，启动通道工作。
3. 调用和执行中断处理程序。负责处理设备和控制器及通道所发出的各种中断。

设备驱动程序的层次

每个设备驱动程序只处理一种设备，或者一类紧密相关的设备。
设备驱动程序分为整体驱动程序和分层驱动程序

1. 整体驱动程序直接向操作系统提供接口和控制硬件
   ：适用于功能简单的驱动程序，效率较高，但较难迁移
2. 分层驱动程序将驱动程序分成多层，放在栈中，系统接到I/O请求时先调用栈顶的驱动程序，栈顶的驱动程序可以直接处理请求或向下调用更低层的驱动程序，直至请求被处理。适用于功能复杂、重用性要求较高的驱动程序，结构清晰且便于移植，会增加部分系统开销。

独立于设备的I/O软件

执行适用于所有设备的常用I/O功能，并向用户层软件提供一致性接口。
功能：

1. 设备命名：通过路径名寻址设备
2. 设备保护：检查用户是否有权访问所申请设备
3. 提供与设备无关的数据单位：字符数量，块尺寸
4. 缓冲技术：传输速率，时间约束，不能直接送达目的地
5. 设备分配和状态跟踪：分配不同类型的设备错误
6. 错误处理和报告：驱动程序无法处理的错误

用户空间的I/O软件

库函数

1. 一小部分I/O软件不在操作系统中，是与应用程序链接在一起的库函数，甚至完全由运行于用户态的程序组成。
2. 系统调用通常由库函数封装后供用户使用，封装函数只是将系统调用所用的参数放在合适位置，然后执行访管指令来陷入内核，再由内核函数实现真正的I/O操作。

** SPOOLing软件**
在内核外运行的系统I/O软件，采用预输入、缓输出和井管理技术，通过创建守护进程和特殊目录解决独占型设备的空占问题。