第六章 输入输出系统 ——I/O系统

第六章 输入输出系统 ——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系统的基本功能及模型

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。

I/O软件的分层

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。

③设备驱动程序 与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。 ④中断处理程序 用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

I/O软件系统的层次

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

2. I/O设备和设备控制器

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

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

②组成 设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑 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

③“瓶颈”问题 由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。

3.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。

⑵中断向量表 中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。

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

4.设备驱动程序

设备驱动程序——最了解设备控制器的人

1.驱动程序的功能

(1)接收由与上层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。（位置） (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。      （硬件特性） (3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。 （硬件特性） (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管理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。

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？

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。

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