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
管理对象：
I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
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
I/O系统的功能、模型和接口
I/O设备和设备控制器
中断机构和中断处理程序
设备驱动程序
与设备无关的I/O软件
用户层的I/O软件
缓冲区管理
磁盘存储器的性能和调度
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。
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
流设备接口
网络通信接口
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。
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。
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
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。
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
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。
驱动程序把抽象的I/O命令转换成一系列具体的命令、参数等数据；如何将上述数据装入设备控制器的相应寄存器？从而触发I/O逻辑运作，实施对设备的控制。
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。
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
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。
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。
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。
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
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
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。
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。
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