第6章 輸入輸出系統 —— I/O系統
管理對象：
I/O設備和相應的設備控制器（I/O系統組成）
基本任務：
完成用戶提出的I/O請求，
提高I/O速率、改善I/O設備的利用率。
爲更高層進程方便使用設備提供手段
6.1 I/O系統的功能、模型和接口
1)主要功能：
- 隱藏物理設備細節，方便用戶：用戶使用抽象的I/O命令即可
- 實現設備無關性，方便用戶：用戶可用抽象的邏輯設備名來使用設備，同時也提高了OS的可移植性和易適應性。
- 提高處理機和設備的並行性，提高利用率：緩衝區管理
- 對I/O設備進行控制：控制方式、設備分配、設備處理
- 確保對設備正確共享：虛擬設備及設備獨立性等
- 錯誤處理
2)I/O/系統的層次結構和模型
層次結構：系統中的設備管理模塊分爲若干個層次
層間操作：下層爲上層提供服務，完成輸入輸出功能中的某些子功能，並屏蔽功能實現的細節。
I/O軟件的分層
①用戶層軟件
實現與用戶交互的接口，用戶可直接調用在用戶層提供的、與I/O操作有關的庫函數，對設備進行操作。
②設備獨立軟件
用於實現用戶程序與設備驅動器的統一接口、設備命名、設備的保護以及設備的分配與釋放等，同時爲設備管理和數據傳送提供必要的存儲空間。
③設備驅動程序
與硬件直接相關，用於具體實現系統對設備發出的操作指令，驅動I/O設備工作的驅動程序。
④中斷處理程序
用於保存被中斷進程的CPU環境，轉入相應的中斷處理程序進行處理，處理完後再恢復被中斷進程的現場後，返回到被中斷進程。
I/O軟件系統的層次
中斷處理程序
處於I/O系統的底層，直接與硬件進行交互
設備驅動程序
處於次底層，是進程和控制器之間的通信程序
功能：將上層發來的抽象I/O請求，轉換爲對I/O設備的具體命令和參數，並把它裝入到設備控制其中的命令和參數寄存器中
設備獨立性軟件
包括設備命名、設備分配、數據緩衝等軟件
I/O系統接口
在I/O系統與高層接口中，根據設備類型的不同，又進一步分爲若干個接口。主要包括：
塊設備接口
流設備接口
網絡通信接口
6.2 I/O設備和設備控制器
1）I/O設備的類型
I/O設備的類型繁多，從OS的觀點，按其重要的性能指標進行分類如下：
按傳輸速率分類：
低速、中速、高速（鍵盤、打印機、磁盤）
使用：存儲設備、輸入輸出設備
按信息交換的單位分類：
塊設備：有結構、速率高、可尋址、DMA方式控制
字符設備：無結構、速率低、不可尋址、中斷方式控制
2）設備控制器
設備並不直接與CPU通信
計算機中的一個實體——“設備控制器”負責控制一個或多個I/O設備，以實現I/O設備和計算機之間的數據交換。
控制器是CPU與I/O設備之間的接口，作爲中間人接收從CPU發來的命令，並去控制I/O設備工作，以使處理機脫離繁雜的設備控制事務。
3）I/O通道
①I/O通道設備的引入
設備控制器已大大減少CPU對I/O的干預
（如承擔了選擇設備，數據轉換、緩衝等功能）
但當主機的外設很多時，CPU的負擔仍然很重。
在CPU和設備控制器之間增設一個硬件機構：“通道”
設置通道後
CPU只需向通道發送一條I/O指令即可不再幹預後續操作。
通道形成通道程序，執行I/O操作，完成後向CPU發中斷信號。
②通道類型
根據其控制的外圍設備的不同類型，信息交換方式也可分爲以下三種類型：
字節多路通道
數組選擇通道
數組多路通道
6.3 中斷機構和中斷處理程序&&6.4 設備驅動程序
中斷在操作系統中有特殊而重要的地位，沒有它就不可能實現多道程序。
中斷是I/O系統最低的一層，也是設備管理的基礎。
1.中斷簡介
⑴中斷和陷入
中斷：CPU對I/O設備發來的中斷信號的一種響應，中斷是由外部設備引起的，又稱外中斷。
陷入：由CPU內部事件所引起的中斷，通常把這類中斷稱爲內中斷或陷入（trap）。
中斷和陷入的主要區別：是信號的來源。
⑵中斷向量表
中斷向量表：爲每種設備配以相應的中斷處理程序，並把該程序的入口地址，放在中斷向量表的一個表項中，併爲每一個設備的中斷請求，規定一箇中斷號，它直接對應於中斷向量表的一個表項中。
⑶對多中斷源的處理方式
①屏蔽（禁止）中斷：
所有中斷都將按順序依次處理。
當處理機正在處理一箇中斷時，將屏蔽掉所有新到的中斷，讓它們等待，直到處理機已完成本次中斷的處理後，處理機再去檢查並處理。
優點是簡單，但不能用於對實時性要求較高的中斷請求。
②嵌套中斷：
中斷優先級：系統根據不同中斷信號源，對服務要求的緊急程度的不同，它們分別規定不同的優先級。
當同時有多個不同優先級的中斷請求時，CPU優先響應最高優先級的中斷請求；
高優先級的中斷請求，可以搶佔正在運行低優先級中斷的處理機，該方式類似於基於優先級的搶佔式進程調度。
2.中斷處理程序
主要工作
①進行進程上下文的切換
②對處理中斷信號源進行測試
③讀取設備狀態
④修改進程狀態
設備驅動程序是I/O系統的高層與設備控制器之間的通信程序，其主要任務：
接收上層軟件發來的抽象I/O要求，如read、write等命令；
再把它轉化爲具體要求，發送給設備控制器，啓動設備去執行。
反方向，它也將由設備控制器發來的信號，傳送給上層軟件。
1.驅動程序的功能
(1)接收由與設備無關的軟件發來的命令和參數，並將命令中的抽象要求，轉換爲與設備相關的低層操作序列；
(2)檢查用戶I/O請求的合法性，瞭解I/O設備的工作狀態，傳遞與I/O設備操作有關的參數，設置設備的工作方式；
(3)發出I/O命令，如果設備空閒，便立即啓動I/O設備，完成指定的I/O操作；如果設備忙碌，則將請求者掛在設備隊列上等待；
(4)及時響應由設備控制器發來的中斷請求，並根據其中斷類型，調用相應的中斷處理程序進行處理。
2.設備驅動程序的特點
(1)驅動程序是與設備無關的軟件和設備控制器之間通信和轉換的程序。
(2)驅動程序，與設備控制器和I/O設備的硬件特性，緊密相關。
(3)驅動程序與I/O設備所採用的I/O控制方式緊密相關。
(4)由於驅動程序與硬件緊密相關，因而其中的一部分必須用彙編語言編寫。
(5)驅動程序應允許可重入，一個正在運行的驅動程序常會在一次調用完成前被再次調用。
3.設備處理方式
具體分類
(1)爲每一類設備設置一個進程，專門用於執行這類設備的I/O操作。這種方式比較適合於較大的系統；
(2)在整個系統中設置一個I/O進程，專門用於執行系統中所有各類設備的I/O操作。也可以設置一個輸入進程和一個輸出進程，分別處理系統中的輸入或輸出操作；
(3)不設置專門的設備處理進程，而只爲各類設備設置相應的設備驅動程序，供用戶或系統進程調用。這種方式目前用得較多。
4. 驅動程序處理過程
I/O設備與控制器間的通信轉換程序
瞭解抽象命令，瞭解控制器內部的寄存器結構
與硬件密切相關，每類設備配備一種驅動程序
功能：接受解釋指令（有通道的系統，自動通道程序）、相關判斷、發送設備命令、響應中斷
特點，控制方式不同程序不同，部分固化進硬件，代碼可重入。
5. I/O控制方式
程序I/O方式
中斷驅動I/O方式
直接存儲器訪問DMA（字節—塊）
I/O通道控制方式（組織傳送的獨立）
宗旨：減少主機對I/O控制的干預，將CPU從繁雜的I/O控制事物中解脫出來。
1）程序I/O方式
cpu對I/O設備的控制採取程序I/O方式，或稱忙—等待方式
向控制器發送一條I/O指令；啓動輸入設備輸入數據；把狀態寄存器busy=1。
然後不斷測試標誌。爲1：表示輸入機尚未輸完一個字，CPU繼續對該標誌測試；直到爲0：數據已輸入控制器數據寄存器中。
CPU取控制器中的數據送入內存單元，完成一個字的I/O 。
高速CPU空閒等待低速I/O設備，致使CPU極大浪費。
2）中斷驅動I/O方式
CPU向相應的設備控制器發出一條I/O命令
然後立即返回繼續執行任務。
設備控制器按照命令的要求去控制指定I/O設備。
這時CPU與I/O設備並行操作。
I/O設備輸入數據中，無需CPU干預，因而可使CPU與I/O設備並行工作。從而提高了整個系統的資源利用率及吞吐量。
3）直接存儲器訪問DMA 方式
①該方式的特點是：
數據傳輸的基本單位是數據塊；
所傳送的數據是從設備直接送入內存的，或者直接從內存進設備；不需要CPU操作。
CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊數據的傳送是在控制器的控制下完成的。
可見DMA方式又是成百倍的減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O設備的並行操作程度。
②DMA控制器的組成
DMA控制器由三部分組成：
主機與DMA控制器的接口；
DMA控制器與塊設備的接口；
I/O控制邏輯。
如下頁圖。
③DMA工作過程
CPU先向磁盤控制器發送一條讀命令。
該命令被送到命令寄存器CR中。
同時發送數據讀入到內存的起始地址，該地址被送入MAR中；
要讀數據的字數則送入數據計數器DC中；
將磁盤中的數據原地址直接送入DMA控制器的I/O控制邏輯上，按設備狀態啓動磁頭到相應位置。
啓動DMA控制器控制邏輯開始進行數據傳送
DMA控制器讀入一個數據到數據寄存器DR中，然後傳到內存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判斷DC是否爲0,如否，繼續，反之控制器發中斷請求，傳送完畢。
4）I/O通道控制方式
DMA適用於讀一個連續的數據塊；
如一次讀多個數據塊到內存不同區域，須由CPU分別發送多條I/O指令、進行多次DMA中斷處理。
再進一步減少CPU的干預（減少中斷）， 引入通道。
實現對一組數據塊的讀（寫）及有關的控制和管理爲單位的干預。
此時，CPU只需發一條I/O指令，給出通道程序的首地址及要訪問設備即可。
* CPU、通道和I/O設備三者的並行操作，提高整系統資源利用率。
6.5 與設備無關的I/O軟件
設備獨立性的基本含義：
指應用程序中所使用的設備，不侷限於使用某個具體的物理設備，也稱爲設備無關性。
爲了實現設備獨立性，在設備驅動程序之上設置一層軟件，稱爲與設備無關的I/O軟件，或設備獨立性軟件。
設備無關的軟件是I/O系統最高層軟件，但它和其下的設備驅動程序之間的界限，將隨操作系統和設備的不同而有所差異。
【設備獨立性（無關性）】 —— Device Independence
用戶編程時所用的設備名（邏輯上的）與實際物理設備無關；
好處：
設備分配時的靈活性
3個物理設備（如打印機），程序中申請一臺打印機，執行時不拘泥必須是某臺（如第2個）打印機
易於實現I/O重定向
指用於I/O操作的設備可以更換（重定向），而不必改變應用程序。 程序調試、運行中的“打印”，可通過修改邏輯設備表的顯示終端，實現不同時候的不同的設備使用。
邏輯設備名到物理設備名的映射
邏輯設備表LUT（Logical Unit Table）
|
邏輯 設備名 |
物理 設備名 |
驅動程序 入口地址 |
|
/ dev / tty |
2 |
1024 |
|
/ dev / printer |
5 |
2046 |
|
… |
|
|
LUT的設置問題
整個系統設置一張LUT（設備重名問題）
爲每個用戶設置一張LUT，記入各自PCB。
6.6 用戶層的I/O軟件
小部分I/O系統軟件放在了用戶應用層上。
庫函數（與應用程序鏈接）
假脫機技術（虛擬設備）
1)系統調用與庫函數
不允許運行在用戶態的應用進程，去直接調用運行在覈心態（系統態）的OS過程。
應用進程在運行時，又必須取得OS所提供的服務。
於是：
OS在用戶層中引入了系統調用，應用程序可以通過它，間接調用OS中的I/O過程，對I/O設備進行操作。
2）設備分配中的虛擬技術 —— SPOOLing技術
虛擬性是OS的四大特徵之一。
多道程序技術將一臺物理CPU虛擬爲多臺邏輯CPU，實現多個用戶共享一臺主機；
主要有三大部分（如下頁圖）
輸入井和輸出井：磁盤上開闢兩大存儲空間。輸入井模擬脫機輸入的磁盤設備，輸出井模擬脫機輸出時的磁盤。
輸入緩衝區和輸出緩衝區：爲緩解速度矛盾，內存中開闢兩大緩衝空間，輸入緩衝區暫存輸入設備送來的數據，再送給輸入井；輸出緩衝區暫存輸出井送來的數據，再送輸出設備。
輸入進程和輸出進程。
用一進程模擬脫機輸入時外圍設備控制器的功能，把低速輸入設備上的數據傳送到高速磁盤上；
用另一進程模擬脫機輸出時外圍設備控制器的功能，把數據從磁盤上傳送到低速輸出設備上。
SPOOLing系統的特點
提高了I/O的速度。利用輸入輸出井模擬成脫機輸入輸出，緩和了CPU和I/O設備速度不匹配的矛盾。
將獨佔設備改造爲共享設備。並沒有爲進程分配設備，而是爲進程分配一存儲區和建立一張I/O請求表。
最終，實現了虛擬設備功能。多個進程可“同時”使用一臺獨佔設備。
6.7 緩衝區管理
I/O控制方式減少CPU對I/O的干預提高利用率；
緩衝則通過緩和CPU和I/O設備速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O設備的並行性，提高利用率。
現代OS中，幾乎所有的I/O設備與處理機交換數據時，都用了緩衝區。
引入緩衝區的主要原因：
緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾。
緩衝區數據成批傳入內存，也可進一步減少對CPU的中斷頻率
最終目的：提高CPU和I/O設備的並行性。
使用緩衝區的方式：
1）單緩衝、多緩衝
2）循環緩衝
3）緩衝池（Buffer Pool）
1）單緩衝、多緩衝
單緩衝（Single Buffer）
每當用戶進程發出一I/O請求時，
單位：字符設備輸入時，緩衝區用於暫存用戶輸入/輸出的一行數據；塊設備輸入則是成塊數據。
雙緩衝（Double Buffer）
進一步加快輸入和輸出速度，提高設備利用率制，也稱緩衝對換（Buffer Swapping）
輸入：數據送入第一緩衝區，裝滿後轉向第二緩衝區。
讀出：OS從第一緩衝區中移出數據，送入用戶進程，再由CPU對數據進行計算。
2）循環緩衝
多個緩衝區。大小相同，三種類型：
預備裝輸入數據的空緩衝區R
裝滿數據的緩衝區G
計算進程正在使用的現行工作緩衝區C
多個指針。
指示正在使用的緩衝區C的指針Current
指示計算進程下一個可取的緩衝區G的指針Nextg
指示輸入進程下次可放的緩衝區R的指針Nexti
3）緩衝池（Buffer Pool）
對於既可輸入又可輸出的公用緩衝池，至少應含有下列三種類型的緩衝區：
空緩衝區；
裝滿輸入數據的緩衝區；
裝滿輸出數據的緩衝區；
爲方便管理，將上述類型相同的緩衝區連成隊列
空緩衝區隊列（所有進程都可用）
輸入隊列（n個進程有各自的隊列）
輸出隊列（n個進程有各自的隊列）
*（隊列長度不固定，根據進程實際情況靈活變動，需要多少用多少）
四種工作方式：
收容輸入：Getbuf(emq),hin；輸入數據填入一空緩衝區；Putbuf(inq,hin)
提取輸入： Getbuf(inq),sin；從輸入緩衝隊列中取出一數據區的內容；Putbuf(emq,sin)
收容輸出： Getbuf(emq),hout；輸出數據填入一空緩衝區；Putbuf(outq,hout)
提取輸出： Getbuf(outq),sout；從輸出緩衝隊列中取一數據區的內容；Putbuf(emq,sout)
6.8 磁盤存儲器的性能和調度
磁盤調度方法
對所有請求訪問磁盤的進程進行合理調度，使對磁盤的平均訪問時間最小。
目標：使平均尋道時間最少。
算法：
FCFS
最短尋道時間優先SSTF
掃描算法SCAN（磁盤電梯調度算法）
循環掃描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法
