操作系統(tǒng) 第6章設(shè)備

2023/2/31第6章輸入輸出系統(tǒng)（I/O）6.1I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口2023/2/32

I/O系統(tǒng)是操作系統(tǒng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除CPU和內(nèi)存之外的外部設(shè)備進(jìn)行管理。操作系統(tǒng)設(shè)備管理是要，方便用戶(hù)使用設(shè)備、提高設(shè)備利用率。

提高設(shè)備利用率的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)設(shè)備的并行操作。一方面，諸設(shè)備要與CPU并行，另一方面，諸設(shè)備間也要并行。I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

整個(gè)I/O結(jié)構(gòu)分成三個(gè)層次：底層是具體的設(shè)備和硬件接口，中間是系統(tǒng)軟件（與設(shè)備相關(guān)軟件、與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件），最上面是用戶(hù)程序。打印機(jī)攝像機(jī)硬盤(pán)設(shè)備打印機(jī)控制器攝像機(jī)控制器磁盤(pán)控制器打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序攝像機(jī)驅(qū)動(dòng)程序磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)程序I/O接口程序硬件接口與設(shè)備相關(guān)軟件與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件用戶(hù)程序進(jìn)程A進(jìn)程B進(jìn)程C進(jìn)程N(yùn)用戶(hù)空間內(nèi)核空間打印機(jī)中斷處理程序攝像機(jī)中斷處理程序磁盤(pán)中斷處理程序1.設(shè)備的分類(lèi)2023/2/34（1）按設(shè)備的使用特性分類(lèi) 存儲(chǔ)設(shè)備、I/O設(shè)備（2）按信息的組織方式分類(lèi)

塊設(shè)備：磁盤(pán)、磁帶等

字符設(shè)備：每次傳送字符數(shù)據(jù)，如鍵盤(pán)。6.2I/0設(shè)備和設(shè)備控制器設(shè)備的分類(lèi)……2023/2/3Page5(3)按傳輸速率分類(lèi)低速設(shè)備每秒幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百字節(jié)鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、語(yǔ)音輸入輸出設(shè)備等中速設(shè)備每秒數(shù)千至數(shù)萬(wàn)字節(jié)行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等高速設(shè)備每秒數(shù)百K至數(shù)十M字節(jié)磁盤(pán)機(jī)、磁帶機(jī)、光盤(pán)機(jī)等2023/2/362.設(shè)備與控制器之間的接口

通常，設(shè)備并不是直接與CPU進(jìn)行通信，而是與設(shè)備控制器通信。因此，在設(shè)備中應(yīng)含有與設(shè)備控制器的接口。2023/2/3Page7設(shè)備與控制器之間的接口數(shù)據(jù)信號(hào)線用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)線作為由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號(hào)（規(guī)定設(shè)備應(yīng)執(zhí)行的操作）時(shí)的通路狀態(tài)信號(hào)線用于傳送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號(hào)設(shè)備控制器是CPU與I/O設(shè)備之間的接口由外界輸入的信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后送入緩沖器，數(shù)據(jù)達(dá)到一定的字符數(shù)后，再?gòu)木彌_器通過(guò)一組數(shù)據(jù)信號(hào)線送到控制器從設(shè)備控制器經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)線傳送來(lái)的數(shù)據(jù)先暫存在緩沖器，經(jīng)轉(zhuǎn)換器經(jīng)過(guò)適當(dāng)轉(zhuǎn)換后，逐個(gè)字符輸出信號(hào)規(guī)定設(shè)備要執(zhí)行的操作指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)，正在讀、寫(xiě)或完成2.設(shè)備控制器2023/2/38設(shè)備控制器的組成2.設(shè)備控制器2023/2/39基本功能接收和識(shí)別命令應(yīng)有控制寄存器存放接受的命令和參數(shù)，并對(duì)其譯碼數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)CPU與控制器、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，需設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)：需設(shè)置狀態(tài)寄存器地址識(shí)別識(shí)別所控制的設(shè)備，需設(shè)置地址譯碼器數(shù)據(jù)緩沖：解決I/O設(shè)備速率低的問(wèn)題差錯(cuò)控制：對(duì)I/O設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)6.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

6.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式2023/2/3101.程序查詢(xún)/輪詢(xún)方式

用戶(hù)進(jìn)程直接控制CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送。當(dāng)用戶(hù)進(jìn)程需要使用某一外設(shè)輸入/輸出數(shù)據(jù)時(shí)，它通過(guò)CPU向外設(shè)發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)外設(shè)，然后在外設(shè)上進(jìn)行I/O數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中，進(jìn)程循環(huán)測(cè)試外設(shè)是否處理完畢(busy=0)，如果完畢就再啟動(dòng)下一次的傳送，直到傳送結(jié)束。設(shè)備內(nèi)存或設(shè)備CPU2023/2/311向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫(xiě)字傳送完成？未就緒就緒出錯(cuò)CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→內(nèi)存下條指令完成未完(a)程序I/O方式2023/2/312缺點(diǎn)：①CPU與外設(shè)之間只能串行工作。CPU在絕大多數(shù)時(shí)間內(nèi)都處于循環(huán)測(cè)試的忙等待狀態(tài)，使得CPU的利用率極低。②由于一段時(shí)間內(nèi)CPU只能與一臺(tái)外設(shè)交換數(shù)據(jù)，因此多臺(tái)外設(shè)之間也只能串行工作。

程序查詢(xún)方式只適用于CPU執(zhí)行速度較慢且外設(shè)較少的系統(tǒng)。2.中斷控制方式2023/2/313向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀字向內(nèi)存中寫(xiě)字傳送完成？就緒出錯(cuò)CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→內(nèi)存下條指令完成未完中斷CPU(b)中斷驅(qū)動(dòng)方式做其它事2023/2/315特點(diǎn)：CPU與外設(shè)并行工作，也可外設(shè)間并行工作，大大提高了系統(tǒng)效率。僅適宜于慢速的字符設(shè)備，中斷次數(shù)頻繁(數(shù)據(jù)緩沖寄存器小,滿(mǎn)即產(chǎn)生中斷)，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)大（在中斷處理上）。3.DMA方式2023/2/316

在外設(shè)與內(nèi)存間直接開(kāi)辟一個(gè)數(shù)據(jù)通道，由DMAC(DMA控制器)來(lái)控制它們之間的成批數(shù)據(jù)傳送。2023/2/317特點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)才需CPU干預(yù)除了具有中斷機(jī)構(gòu)外，還增加了DMA控制器數(shù)據(jù)傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址及傳送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度需CPU控制每個(gè)設(shè)備需配置一個(gè)DMA控制器DMA方式2023/2/318DMA方式的工作流程設(shè)置MAR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址增1字計(jì)數(shù)寄存器減1DC＝0?請(qǐng)求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶(hù)程序的同時(shí),準(zhǔn)備又一次傳送否是內(nèi)存地址寄存器MAR數(shù)據(jù)存放到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC要讀或?qū)懙淖郑ü?jié)）數(shù)2023/2/319與中斷方式的區(qū)別：1）中斷方式是在數(shù)據(jù)寄存器滿(mǎn)的時(shí)候發(fā)出中斷請(qǐng)求，DMA方式是在數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求。2）中斷方式中的中斷處理程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送(取走數(shù)據(jù))，DMA方式中的中斷處理程序做I/O的結(jié)束工作。

DMA方式適合連續(xù)數(shù)據(jù)塊的傳送。4通道控制方式2023/2/320通道是一個(gè)獨(dú)立于cpu的專(zhuān)管輸入輸出控制的處理機(jī)有自己簡(jiǎn)單的指令系統(tǒng)，只有數(shù)據(jù)傳送指令和設(shè)備控制指令主要目的是為了建立獨(dú)立的I/O操作，使有關(guān)對(duì)I/O操作的組織、管理及其結(jié)束處理也獨(dú)立于CPUCPU向I/O通道發(fā)送I/O命令，由通道執(zhí)行程序通道與一般處理機(jī)的區(qū)別指令單一沒(méi)有獨(dú)立的內(nèi)存2023/2/321通道的種類(lèi)字節(jié)多路：以字節(jié)為單位傳送數(shù)據(jù)，低速設(shè)備數(shù)組選擇：一次只能控制一臺(tái)I/O設(shè)備；以塊為單位或成批傳送數(shù)據(jù)；高速設(shè)備數(shù)組多路：傳輸速度快，通道利用率高，可連接多臺(tái)高中速設(shè)備2023/2/3226.5.3設(shè)備分配2023/2/3231.設(shè)備分配的原則： 總原則：考慮設(shè)備的固有屬性，充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能的讓設(shè)備忙，又要避免由于不合理的分配方法造成進(jìn)程死鎖；把用戶(hù)程序和具體的物理設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)。2.設(shè)備分配策略：先請(qǐng)求先分配優(yōu)先級(jí)高者先分配設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素設(shè)備的固有屬性獨(dú)占性一段時(shí)間內(nèi)，只允許一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占，大多數(shù)低度速Ｉ/Ｏ設(shè)備都屬于獨(dú)享設(shè)備共享性允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)共享，如磁盤(pán)、磁鼓之類(lèi)的外存儲(chǔ)器，既具有很能大的存儲(chǔ)容量，其定位操作的時(shí)間又短可虛擬性獨(dú)占設(shè)備經(jīng)某種技術(shù)處理，改造成虛擬設(shè)備，把一臺(tái)輸入機(jī)虛擬為幾臺(tái)“虛擬”的輸入機(jī)。例如：為了提高設(shè)備利用率引入了脫機(jī)輸入輸出或采用SPOOLing技術(shù)，變一臺(tái)為“多臺(tái)設(shè)備”缺點(diǎn)：設(shè)備得不到充分利用，可能產(chǎn)生死鎖設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素設(shè)備分配獨(dú)占設(shè)備防止死鎖共享設(shè)備由于同時(shí)有多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)，且訪問(wèn)頻繁，就會(huì)影響整個(gè)設(shè)備使用效率，影響系統(tǒng)效率。因此要考慮多個(gè)訪問(wèn)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)服務(wù)的順序，使平均服務(wù)時(shí)間越短越好。注意各進(jìn)程的訪問(wèn)次序進(jìn)行合理調(diào)度虛擬設(shè)備2023/2/3263.設(shè)備分配中的安全性安全分配方式每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，I/O操作完成后喚醒優(yōu)點(diǎn)：摒棄了“請(qǐng)求和保持”條件，不會(huì)產(chǎn)生死鎖不安全分配方式進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后仍繼續(xù)運(yùn)行，繼續(xù)申請(qǐng)I/O設(shè)備優(yōu)點(diǎn)：可操作多個(gè)設(shè)備，推進(jìn)迅速6.7緩沖技術(shù)2023/2/327

緩沖是用來(lái)緩和CPU與外設(shè)之間以及設(shè)備與設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。1緩沖的引入

采用緩沖技術(shù)的目的主要在于：2023/2/3281).用來(lái)緩和CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。2).提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。3).有效減少對(duì)CPU的中斷次數(shù)，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。比如：字符設(shè)備無(wú)緩沖：傳輸一個(gè)字符需要中斷一次有緩沖：傳輸100個(gè)字符只需要中斷一次4).解決生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)粒度不匹配的問(wèn)題2023/2/3291位緩沖9.6Kb/s(a)中斷CPU的頻率為9.6Kb/s，每100s中斷一次CPUCPU必須在100s內(nèi)響應(yīng)，否則數(shù)據(jù)會(huì)被沖掉8位緩沖寄存器送內(nèi)存9.6Kb/s(b)中斷CPU的頻率降低為9.6Kb/82023/2/3308位緩沖寄存器9.6Kb/s送內(nèi)存(c)每800s中斷一次CPU2緩沖的種類(lèi)

緩沖區(qū)分為單緩沖、雙緩沖、環(huán)型緩沖、緩沖池等，現(xiàn)代操作系統(tǒng)很多采用緩沖池技術(shù)。緩沖池將多個(gè)緩沖區(qū)組織成多個(gè)緩沖隊(duì)列。2023/2/331緩沖區(qū)中的單緩沖和雙緩沖2023/2/332單緩沖和雙緩沖2023/2/3Page33只能實(shí)現(xiàn)單向的數(shù)據(jù)傳輸為了實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳輸，必須在兩臺(tái)機(jī)器中都設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)，一個(gè)用作發(fā)送緩沖區(qū)，另一個(gè)用作接收緩沖區(qū)。循環(huán)緩沖2023/2/3Page34類(lèi)型：R:空緩沖；G：滿(mǎn)緩沖；C：當(dāng)前緩沖本章小結(jié)2023/2/335了解外設(shè)的分類(lèi)；了解設(shè)備管理的功能；理解幾種數(shù)據(jù)傳輸控制方式的不同（程序直接控制、中斷方式、DMA方式和通道方式）；了解中斷中的相關(guān)概念；理解引入緩沖區(qū)的作用；設(shè)備分配的原則和策略。脫機(jī)輸入/輸出（Off-LineI/O）方式硬件不斷發(fā)展，CPU速度的提高、系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，人機(jī)矛盾?chē)?yán)重，如何解決？磁帶磁帶磁帶磁帶SPOOLing技術(shù)2023/2/3Page37什么是SPOOLing技術(shù)為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、脫機(jī)輸出技術(shù)在多道程序環(huán)境下，其中的一道程序模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)功能在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能，此時(shí)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱(chēng)為SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，或稱(chēng)為假脫機(jī)操作SPOOLing技術(shù)2023/2/3Page38SPOOLing系統(tǒng)的組成輸入井和輸出井在磁盤(pán)上的兩個(gè)存儲(chǔ)空間輸入井模擬脫機(jī)輸入，暫存輸入數(shù)據(jù)輸出井模擬脫機(jī)輸出，暫存輸出數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)用來(lái)緩和CPU與磁盤(pán)之間的速度的矛盾輸入進(jìn)程進(jìn)程SPo模擬脫機(jī)I/O時(shí)的外圍控制機(jī)脫機(jī)輸入/輸出（Off-LineI/O）方式Page392023/2/3磁帶磁帶磁帶磁帶SPOOLing技術(shù)2023/2/3Page40SPOOLing技術(shù)2023/2/3Page41共享打印機(jī)打印機(jī)為獨(dú)占設(shè)備，利用SPOOLing技術(shù)，可將之改造為共享設(shè)備用戶(hù)請(qǐng)求打印時(shí)，SPOOLing系統(tǒng)處理如下由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請(qǐng)一個(gè)空閑磁盤(pán)塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中輸出進(jìn)程再為用戶(hù)進(jìn)程申請(qǐng)一張空白的用戶(hù)請(qǐng)求打印表，并將用戶(hù)的打印要求填入其中，再將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上SPO