操作系統(tǒng)內(nèi)核的IO子系統(tǒng)

1、1操作系統(tǒng)內(nèi)核的操作系統(tǒng)內(nèi)核的I/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)2內(nèi)核內(nèi)核I/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)n內(nèi)核與內(nèi)核與I/O有關(guān)服務(wù)：有關(guān)服務(wù)： I/O調(diào)度、調(diào)度、緩沖緩沖、高速緩沖高速緩沖、spooling、設(shè)備預(yù)訂、錯(cuò)誤處理、設(shè)備預(yù)訂、錯(cuò)誤處理.n內(nèi)核內(nèi)核I/O子系統(tǒng)負(fù)責(zé)：子系統(tǒng)負(fù)責(zé)：l文件和設(shè)備命名空間的管理文件和設(shè)備命名空間的管理l文件和設(shè)備訪問(wèn)控制文件和設(shè)備訪問(wèn)控制l操作控制（操作控制（for example,a moderm cannot seek()）l文件系統(tǒng)空間的分配文件系統(tǒng)空間的分配l設(shè)備分配設(shè)備分配l緩沖、高速緩存、假脫機(jī)緩沖、高速緩存、假脫機(jī)lI/O調(diào)度調(diào)度l設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、錯(cuò)誤處理、失敗恢復(fù)設(shè)備狀

2、態(tài)監(jiān)控、錯(cuò)誤處理、失敗恢復(fù)l設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的配置和初始化設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的配置和初始化3I/OI/O調(diào)度調(diào)度nI/OI/O調(diào)度調(diào)度：調(diào)度一組調(diào)度一組I/OI/O請(qǐng)求就是確定一個(gè)好的順序來(lái)執(zhí)請(qǐng)求就是確定一個(gè)好的順序來(lái)執(zhí)行這些請(qǐng)求。行這些請(qǐng)求。l某些I/O需要按設(shè)備隊(duì)列的順序-先來(lái)先服務(wù)先來(lái)先服務(wù)l 某些操作系統(tǒng)嘗試著公平-優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先l 磁盤(pán)I/O調(diào)度n實(shí)現(xiàn)lOS通過(guò)為每個(gè)設(shè)備維護(hù)一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)度。l可以試圖公平，也可以根據(jù)不同的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行I/O調(diào)度。l其他方法：緩沖、高速緩沖、假脫機(jī)4緩沖buffern緩沖緩沖 Buffering用來(lái)保存在兩設(shè)備之間或在設(shè)備和應(yīng)用程序之間所傳輸

3、數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。n緩沖區(qū)管理：為了解決緩沖區(qū)管理：為了解決CPU與與I/O之間速度不匹配的之間速度不匹配的矛盾矛盾，在它們之間配置了緩沖區(qū)。這樣設(shè)備管理程，在它們之間配置了緩沖區(qū)。這樣設(shè)備管理程序又要負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)的建立、分配和釋放。序又要負(fù)責(zé)管理緩沖區(qū)的建立、分配和釋放。n緩沖作用：緩沖作用：l解決設(shè)備速度不匹配解決設(shè)備速度不匹配l解決設(shè)備傳輸塊的大小不匹配解決設(shè)備傳輸塊的大小不匹配l為了維持為了維持拷貝語(yǔ)義拷貝語(yǔ)義“copy semantics”要求要求n單緩沖、雙緩沖、多緩沖、緩沖池單緩沖、雙緩沖、多緩沖、緩沖池5高速緩存高速緩存n高速緩存高速緩存 Caching高速緩存（cache）：

4、是可以保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存。n緩沖與高速緩存的差別是緩沖只是保留數(shù)據(jù)僅有的一緩沖只是保留數(shù)據(jù)僅有的一個(gè)現(xiàn)存拷貝個(gè)現(xiàn)存拷貝，而根據(jù)定義高速緩存只是提供了一個(gè)駐留在其他地方的數(shù)據(jù)的一個(gè)高速拷貝。n高速緩存和緩沖是兩個(gè)不同的功能，但有時(shí)一塊內(nèi)存區(qū)域也可以同時(shí)用于兩個(gè)目的。l當(dāng)內(nèi)核接收到I/O請(qǐng)求時(shí)，內(nèi)核首先檢查高速緩存以確定相應(yīng)文件的內(nèi)容是否在內(nèi)存中。如果是，物理磁盤(pán)I/O就可以避免或延遲。6假脫機(jī)技術(shù)假脫機(jī)技術(shù)nSPOOLing（Simultaneous Peripheral Operation On Line），稱為假脫機(jī)技術(shù)。：用來(lái)保存設(shè)備輸出的緩沖，這些設(shè)備如打印機(jī)不能接收交叉的數(shù)據(jù)流。l

5、操作系統(tǒng)通過(guò)截取對(duì)打印機(jī)的輸出來(lái)解決這一問(wèn)題。應(yīng)用程序的輸出先是假脫機(jī)到一個(gè)獨(dú)立的磁盤(pán)文件上。當(dāng)應(yīng)用程序完成打印時(shí)，假脫機(jī)系統(tǒng)將相應(yīng)的待送打印機(jī)的假脫機(jī)文件進(jìn)行排隊(duì)nPrinting：打印機(jī)雖然是獨(dú)享設(shè)備，通過(guò)SPOOLing技術(shù)，可以將它改造為一臺(tái)可供多個(gè)用戶共享的設(shè)備。7設(shè)備預(yù)訂和錯(cuò)誤處理設(shè)備預(yù)訂和錯(cuò)誤處理n設(shè)備預(yù)訂設(shè)備預(yù)訂提供對(duì)設(shè)備的獨(dú)占訪問(wèn)提供對(duì)設(shè)備的獨(dú)占訪問(wèn)l分配和再分配的系統(tǒng)調(diào)用l有可能產(chǎn)生死鎖有可能產(chǎn)生死鎖n錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤處理 Error Handling l操作系統(tǒng)可以恢復(fù)磁盤(pán)讀，設(shè)備無(wú)效，暫時(shí)的失敗l當(dāng)I/O失敗時(shí)，大多數(shù)返回一個(gè)錯(cuò)誤碼 l系統(tǒng)日志記錄了出錯(cuò)報(bào)告8內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)

6、核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n內(nèi)核需要保存留I/O組件使用的狀態(tài)信息，包括打開(kāi)文件表，網(wǎng)絡(luò)連接，字符設(shè)備狀態(tài)等n許多復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用來(lái)跟蹤緩沖，內(nèi)存分配，及“臟”塊n某些OS用面向?qū)ο蟮姆椒ê拖鬟f的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)I/O9UNIX I/O內(nèi)核內(nèi)核結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)10轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換I/O請(qǐng)求為硬件操作請(qǐng)求為硬件操作I/O請(qǐng)求到硬件操作請(qǐng)求到硬件操作n考慮一個(gè)考慮一個(gè)進(jìn)程從磁盤(pán)中讀取一個(gè)文件過(guò)程進(jìn)程從磁盤(pán)中讀取一個(gè)文件過(guò)程l確定保存文件的設(shè)備確定保存文件的設(shè)備l轉(zhuǎn)換名字到設(shè)備的表示法轉(zhuǎn)換名字到設(shè)備的表示法l把數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀到緩沖區(qū)中把數(shù)據(jù)從磁盤(pán)讀到緩沖區(qū)中l(wèi)通知請(qǐng)求進(jìn)程數(shù)據(jù)現(xiàn)在是有效的通知請(qǐng)求進(jìn)程數(shù)據(jù)現(xiàn)在是有效的l把控制權(quán)返回給進(jìn)程

7、把控制權(quán)返回給進(jìn)程11I/O請(qǐng)求的周期數(shù)據(jù)已在緩沖區(qū)啟動(dòng)I/O設(shè)備12習(xí)題分析1在操作系統(tǒng)中，用戶在使用在操作系統(tǒng)中，用戶在使用I/O設(shè)備時(shí)，通常采用設(shè)備時(shí)，通常采用 A設(shè)備的絕對(duì)號(hào)設(shè)備的絕對(duì)號(hào) B設(shè)備的相對(duì)號(hào)設(shè)備的相對(duì)號(hào)C虛擬設(shè)備號(hào)虛擬設(shè)備號(hào) D設(shè)備名設(shè)備名2在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中采用緩沖技術(shù)的主要目的是在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中采用緩沖技術(shù)的主要目的是 A.改善用戶編程環(huán)境改善用戶編程環(huán)境 B.提高提高CPU的處理速度的處理速度C.提高提高CPU和設(shè)備之間的并行程度和設(shè)備之間的并行程度 D.實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)性實(shí)現(xiàn)與設(shè)備無(wú)關(guān)性 3. 設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)等操作是由設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)等操作是由 完成的。完成的。A用戶程序用戶程序 B編譯程序編譯程序 C設(shè)備分配程序設(shè)備分配程序 D設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 13習(xí)題分析4I/O系統(tǒng)有三種常用方式來(lái)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)系統(tǒng)有三種常用方式來(lái)與主機(jī)交換數(shù)據(jù)，它們是程序輪詢方式、中斷方式和，它們是程序輪詢方式、中斷方式和方式，其中方式主要由硬件來(lái)實(shí)方式，其中方式主要由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，此時(shí)高速外設(shè)和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交現(xiàn)，此時(shí)高速外設(shè)和內(nèi)存之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換換 。