計算機操作系統(tǒng)10

1、三、輸入/輸出軟件中斷處理程序設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件用戶層的輸入/輸出軟件1. 層次結(jié)構(gòu)：進(jìn)行I/O調(diào)用：格式化I/O執(zhí)行I/O操作命名、保護(hù)、阻塞、緩沖、分配I/O結(jié)束時，喚醒設(shè)備服務(wù)子程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢測狀態(tài)4-用戶進(jìn)程3-設(shè)備無關(guān)軟件2-設(shè)備驅(qū)動程序硬 件設(shè)備服務(wù)子程序1-中斷處理程序I/O請求I/O應(yīng)答（1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對IO數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機輸入輸出作準(zhǔn)備（2）獨立于設(shè)備的軟件實現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配（3）設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài)（4）中斷處理程序負(fù)責(zé)IO完成時，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)程，進(jìn)行

2、中斷處理（5）硬件層實現(xiàn)物理IO的操作 程序直接控制方式 中斷方式 DMA方式 通道控制方式2. 數(shù)據(jù)傳送控制方式：1)程序直接控制方式(循環(huán)I/O測試方式)由處理器提供I/O相關(guān)指令來實現(xiàn)I/O處理單元處理請求并設(shè)置I/O狀態(tài)寄存器相關(guān)位不中斷處理器，也不給處理器警告信息處理器定期輪詢I/O單元的狀態(tài)，直到處理完畢I/O軟件包含直接操縱I/O的指令控制指令: 用于激活外設(shè)，并告訴它做什么狀態(tài)指令: 用于測試I/O控制中的各種狀態(tài)和條件數(shù)據(jù)傳送指令: 用于設(shè)備和主存之間來回傳送數(shù)據(jù)主要缺陷：處理器必須關(guān)注I/O處理單元的狀態(tài)，因而耗費大量時間輪詢信息，嚴(yán)重地降低了系統(tǒng)性能否外圍設(shè)備做接收或發(fā)送

3、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備接收到start命令標(biāo)志觸發(fā)器置“done”等待CPU來的下條指令準(zhǔn)備完畢？是否CPU發(fā)start命令等 待執(zhí)行下條指令開始數(shù)據(jù)傳送設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器為done”？是(a)(b)2)中斷方式 為了解決程序控制I/O方法的主要問題 應(yīng)該讓處理器從輪詢?nèi)蝿?wù)中解放出來 使I/O操作和指令執(zhí)行并行起來 具體作法： 當(dāng)I/O處理單元準(zhǔn)備好與設(shè)備交互的時候 通過物理信號通知處理器，即中斷處理器I/O控制器1I/O控制器nI/O設(shè)備1I/O設(shè)備n地址線數(shù)據(jù)線控制線intCPU內(nèi)存start啟動位中斷位信號線控制狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)緩沖寄存器中斷控制方式的處理過程接收到CPU發(fā)來的start指令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將其置

4、入緩沖寄存器緩沖寄存器滿嗎？控制器發(fā)中斷信號向設(shè)備發(fā)start指令將中斷允許位置1調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程其他進(jìn)程執(zhí)行收到中斷信號了嗎？中斷處理被中斷進(jìn)程執(zhí)行否否是設(shè)備CPU3)DMA方式DMA方式下的數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)傳輸處理過程如下： 當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時，CPU把準(zhǔn)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及要傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器；另外，還要把控制/狀態(tài)寄存器中的中斷允許位和啟動位置1，從而啟動設(shè)備，開始數(shù)據(jù)輸入。 發(fā)出數(shù)據(jù)輸入要求的進(jìn)程進(jìn)入阻塞狀態(tài)， 進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其它進(jìn)程占有CPU。 輸入設(shè)備不斷地挪用CPU工作周期， 將數(shù)據(jù)從內(nèi)部緩沖區(qū)源源不斷地送入內(nèi)存，

5、直至所要求的字節(jié)數(shù)全部傳送完畢。 DMA控制器在傳輸完成時通過中斷請求線發(fā)出中斷信號， CPU接到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序進(jìn)行相應(yīng)處理。 中斷處理結(jié)束后， CPU返回被中斷的進(jìn)程或去運行重新被調(diào)度的進(jìn)程。 DMA方式否CPU發(fā)start命令內(nèi)存地址 內(nèi)存始址寄存器傳送字節(jié)數(shù)字節(jié)計數(shù)器允許中斷位與啟動位置1當(dāng)前進(jìn)程被阻塞，調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程運行被調(diào)度的進(jìn)程執(zhí)行接收到中斷信號嗎？是轉(zhuǎn)中斷處理設(shè)備啟動設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)DMA控制器接收到start指令緩沖寄存器內(nèi)容入內(nèi)存改變傳送字節(jié)數(shù)計數(shù)器與內(nèi)存地址寄存器內(nèi)容否傳送字節(jié)數(shù)0？嗎？數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)緩沖寄存器發(fā)中斷信號停止I/O操作是DMA方式與中斷的主要區(qū)別中斷

6、方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進(jìn)行中斷處理 DMA方式則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求CPU進(jìn)行中斷處理 大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的 DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的 通道相當(dāng)于一個功能簡單的處理機，包含通道指令（空操作，讀操作，寫操作，控制，轉(zhuǎn)移操作），并可執(zhí)行用這些指令編寫的通道程序通道運算控制部件通道地址字 CAW： 記錄通道程序在內(nèi)存中的地址通道命令字 CCW： 保存正在執(zhí)行的通道指令通道狀態(tài)字 CSW： 存放通道執(zhí)行后的返回結(jié)果通道數(shù)據(jù)字 CDW：存放傳輸數(shù)據(jù) 通道和CPU共用內(nèi)存，通過

7、周期竊取方式取得4）通道通道命令及格式 用于I/O操作的命令主要有兩種：I/O指令：啟動通道程序通道命令：對I/O操作進(jìn)行控制讀、反讀、寫、測試設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)傳輸命令用于設(shè)備控制的命令（磁帶反繞、換頁）實現(xiàn)通道程序內(nèi)部控制的轉(zhuǎn)移命令工作原理 CPU：執(zhí)行用戶程序，當(dāng)遇到I/O請求時，可根據(jù)該請求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），并將該通道程序的首地址放入CAW中；之后執(zhí)行“啟動I/O”指令，啟動通道工作通道地址字CAW -首地址寄存器通道命令字CCW -控制寄存器通道狀態(tài)字CSW -狀態(tài)寄存器通道數(shù)據(jù)字CDW -數(shù)據(jù)寄存器 通道：接收到“啟動I/O”指令后，從CAW中取出通道程序的

8、首地址，并根據(jù)首地址取出第一條指令放入CCW中，同時向CPU發(fā)回答信號，使CPU可繼續(xù)執(zhí)行其他程序，而通道則開始執(zhí)行通道程序，完成傳輸工作。 當(dāng)通道傳輸完成最后一條指令時，向CPU發(fā)I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號，從CSW中取得有關(guān)信息，決定下一步做什么。 通道連接：一個通道可連接多個控制器，一個控制器可連接多個設(shè)備，形成樹形交叉連接 主要目的是啟動外設(shè)時：提高了控制器效率提高可靠性提高并行度通道連接3. 中斷處理技術(shù)指令執(zhí)行的過程中，外部設(shè)備或計算機內(nèi)部可能會發(fā)來急需處理的信號，需要處理機暫停正在執(zhí)行的程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的緊急事件，待處理完畢再返回原處繼續(xù)執(zhí)行，這一過程稱為

9、中斷。用戶程序.指令i指令i+1中斷中斷處理程序中斷執(zhí)行過程 中斷處理時的指令執(zhí)行周期 開始讀入下一條指令執(zhí)行當(dāng)前指令結(jié)束允許中斷嗎？檢查中斷位讀入中斷處理指令YN關(guān)中斷保存被中斷現(xiàn)場分析中斷原因轉(zhuǎn)中斷處理子程序執(zhí)行中斷處理子程序恢復(fù)現(xiàn)場開中斷返回中斷點中斷處理過程4.設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備密切相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動程序中，每個設(shè)備驅(qū)動程序處理一種設(shè)備類型每一個控制器都設(shè)有一個或多個設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動程序負(fù)責(zé)釋放這些命令，并監(jiān)督它們正確執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序的任務(wù)是接收來自與設(shè)備無關(guān)的上層軟件的抽象請求，并執(zhí)行這個請求。在設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)程釋放一條或多條命令后，系統(tǒng)有兩種

10、處理方式，多數(shù)情況下，執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動程序的進(jìn)程必須等待命令完成，這樣，在命令開始執(zhí)行后，它阻塞自已，直到中斷處理時將它解除阻塞為止。而在其它情況下，命令執(zhí)行不必延遲就很快完成用戶進(jìn)程文件系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備控制器設(shè)備本身驅(qū)動程序所處地位用戶進(jìn)程請求設(shè)備服務(wù)的流程5.設(shè)備獨立的軟件 雖然IO軟件中一部分是設(shè)備專用的，但大部分軟件是與設(shè)備無關(guān)的。設(shè)備驅(qū)動程序與設(shè)備獨立軟件之間的確切界限是依賴于具體系統(tǒng)的1.獨立于設(shè)備的軟件的基本任務(wù)是實現(xiàn)所有設(shè)備都需要的功能，并且向用戶級軟件提供一個統(tǒng)一的接口2.如何給文件和設(shè)備這樣的對象命名是操作系統(tǒng)中的一個主要課題。獨立于設(shè)備的軟件負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號名映射到正確的

11、設(shè)備驅(qū)動上（linux上文件映射）3.設(shè)備保護(hù)：系統(tǒng)防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備4.不同的磁盤可以采用不同的扇區(qū)尺寸。設(shè)備獨立軟件向較高層軟件掩蓋這一事實并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸。它可將若干扇區(qū)合成一個邏輯塊。較高層的軟件只與抽象設(shè)備打交道，獨立于物理扇區(qū)的尺寸而使用等長的邏輯塊5.緩沖技術(shù)6.設(shè)備分配7.出錯處理 6.用戶層的IO軟件盡管大部分IO軟件都包含在操作系統(tǒng)中，但仍有一小部分是由與用戶程序連接在一起的庫過程，甚至完全由運行于核外的程序構(gòu)成。系統(tǒng)調(diào)用，包括IO系統(tǒng)調(diào)用，通常由庫過程實現(xiàn)這些過程所做的工作只是將系統(tǒng)調(diào)用時所用的參數(shù)放在合適的位置，由其它的IO過程實際實現(xiàn)真正的操作7.設(shè)

12、備分配設(shè)備分配與回收 當(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請求時，設(shè)備分配程序按一定策略分配設(shè)備、控制器和通道，形成一條數(shù)據(jù)傳輸通路，以供主機和設(shè)備間信息交換強調(diào) 設(shè)備獨立性 即：不能因為設(shè)備的忙碌、故障或更換而影響程序的運行, 向用戶屏蔽物理設(shè)備, 呈現(xiàn)給用戶一個操作簡單的邏輯設(shè)備強調(diào) 抽象的I/O 操作 即：設(shè)計一類通用的I/O指令，它們的含義對不同類型設(shè)備作不同解釋，而且，在操作系統(tǒng)中，提供了若干I/O系統(tǒng)調(diào)用，由系統(tǒng)將抽象的I/O 操作映射到專門的設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制表DCT系統(tǒng)設(shè)備表SDT控制器表COCT通道控制表CHCT表目1表目i設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識獲得設(shè)備的進(jìn)程DCT指針系統(tǒng)設(shè)備

13、表STD控制器標(biāo)識控制忙/閑標(biāo)記CHCT指針控制器等待隊列首控制器等待隊列尾COCT 通道標(biāo)識通道忙/閑標(biāo)記通道等待隊列首通道等待隊列尾CHCT 設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識設(shè)備忙/閑標(biāo)記COCT指針設(shè)備等待隊列首設(shè)備等待隊列尾驅(qū)動程序地址DCT 設(shè)備分配原則設(shè)備分配策略靜態(tài)分配動態(tài)分配設(shè)備使用率低有可能造成死鎖先請求先分配優(yōu)先級高者先分配設(shè)備分配流程圖由進(jìn)程P來的I/O請求搜索SDT找到DCT指針按分配策略選取占據(jù)該設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程P被選中？查DCT該設(shè)備忙？檢查該設(shè)備分配給進(jìn)程P的安全性安全嗎？該設(shè)備分配給進(jìn)程PA按分配策略選取占據(jù)該設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程P按分配策略入I/O等待隊列進(jìn)程P等待該設(shè)備空閑是是否否

14、是否進(jìn)程P等待控制器搜索DCT指針，找到COCT指針控制器忙嗎？A分配控制器給進(jìn)程P搜索COCT找到CHCT指針通道忙？分配通道給進(jìn)程P啟動I/O進(jìn)程P等待通道是是否否I/O系統(tǒng)的設(shè)備分配按如下步驟實施設(shè)備分配：(1) 分配設(shè)備。 (2) 分配控制器。 (3) 分配通道。 8. I/O控制中斷原因分析喚醒中斷處理程序I/O請求設(shè)備設(shè)備分配程序緩沖區(qū)管理中斷響應(yīng)啟動I/O指令、設(shè)備驅(qū)動程序或通道程序I/O控制I/O控制的實現(xiàn)I/O控制過程在系統(tǒng)中可以按三種方式實現(xiàn)作為請求I/O操作的進(jìn)程的一部分實現(xiàn)作為當(dāng)前進(jìn)程的一部分實現(xiàn)I/O控制由專門的系統(tǒng)進(jìn)程 I/O進(jìn)程完成：每類(個)設(shè)備設(shè)一專門的I/O

15、進(jìn)程，且該進(jìn)程只能在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行整個系統(tǒng)設(shè)一I/O進(jìn)程，全面負(fù)責(zé)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳送工作每類(個)設(shè)備設(shè)一個專門的I/O進(jìn)程，但該進(jìn)程既可在用戶態(tài)也可在系統(tǒng)態(tài)下執(zhí)行9.緩沖技術(shù)（1）緩沖技術(shù)的引入: 凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù) 在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作，以緩解CPU與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率減少了I/O設(shè)備對處理器的中斷請求次數(shù)簡化了中斷機制節(jié)省了系統(tǒng)開銷（2）緩沖的種類 單緩沖 當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請求時，操作系統(tǒng)在主存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)，可以實現(xiàn)預(yù)讀和滯后寫 雙緩沖 可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)的并行 多緩沖： 多個緩沖區(qū)連接起來組成兩部分（輸入和輸出） 緩沖池： （又稱循環(huán)緩沖） 多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，既可輸入，也可輸出 設(shè)備號數(shù)據(jù)塊號緩沖區(qū)號互斥標(biāo)示位鏈指針: :空緩沖區(qū)inout緩沖區(qū)操作函數(shù)：getbuf、putbuf等等緩沖首部設(shè)備無關(guān)性：提