計(jì)算機(jī)系統(tǒng)操作白金版教程第13章 IO系統(tǒng)課件

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1第13章I/O系統(tǒng)主要內(nèi)容概述I/O硬件I/O應(yīng)用接口I/O內(nèi)核子系統(tǒng)把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作流性能213.1概述計(jì)算機(jī)的兩個主要任務(wù)：I/O操作、計(jì)算處理操作系統(tǒng)在I/O方面的作用：管理和控制I/O操作和I/O設(shè)備本章涉及問題描述I/O硬件的基本特點(diǎn)討論操作系統(tǒng)所提供的I/O服務(wù)及其為應(yīng)用程序所提供的接口解釋操作系統(tǒng)如何縮小硬件接口與應(yīng)用接口之間的差距討論UNIXSystemV的流機(jī)制討論I/O性能問題及用來提高I/O性能的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則3

I/O設(shè)備在其功能與速度方面存在很大差異，需要操作系統(tǒng)采用多種方法來控制I/O設(shè)備技術(shù)呈現(xiàn)兩個相矛盾的趨勢硬件與軟件接口日益增長的標(biāo)準(zhǔn)化，有助于人們將設(shè)備集成到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)I/O設(shè)備日益增長的多樣性，有的新設(shè)備與舊設(shè)備區(qū)別很大以至于很難集成到計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動程序：為I/O子系統(tǒng)提供統(tǒng)一接口413.2I/O硬件計(jì)算機(jī)設(shè)備存儲設(shè)備（磁盤、磁帶）傳輸設(shè)備（網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器）人機(jī)交互設(shè)備（屏幕、鍵盤、鼠標(biāo)）I/O設(shè)備：用來進(jìn)行輸入、輸出的設(shè)備統(tǒng)稱I/O設(shè)備I/O硬件涉及的主要概念總線控制器I/O端口及其寄存器主機(jī)與設(shè)備控制器之間的握手關(guān)系通過輪尋檢測或中斷的握手執(zhí)行將大量傳輸下交給DMA控制器51、總線（bus）總線：一個或多個設(shè)備使用一組共同的線的連接方式，是一組線和一組嚴(yán)格定義的可以描述在線上傳輸信息的協(xié)議PC總線結(jié)構(gòu)（圖13.1P334）PCI總線：連接處理機(jī)－內(nèi)存子系統(tǒng)與快速設(shè)備擴(kuò)展總線：連接串行、并行端口和相對較慢的設(shè)備SCSI總線：連接SCSI控制器與存儲設(shè)備62、控制器（controller）控制器是用于操作端口、總線或設(shè)備的一組電子器件串口控制器（簡單）SCSI總線控制器（復(fù)雜）磁盤控制器（內(nèi)置）處理器如何向控制器發(fā)送命令和數(shù)據(jù)以完成I/O傳輸？控制器有一個或多個用于數(shù)據(jù)和控制信號的寄存器，處理器通過讀寫這些寄存器的位組合來與控制器通信I/O指令：觸發(fā)總線線路來選擇合適設(shè)備并將位信息傳入或傳出設(shè)備寄存器內(nèi)存映射：設(shè)備控制器映射到處理器的地址空間73、I/O端口及其寄存器端口：設(shè)備與計(jì)算機(jī)通信的連接點(diǎn)I/O端口通常有四種寄存器狀態(tài)寄存器：包含一些主機(jī)可讀取的信息控制寄存器：被主機(jī)用來向設(shè)備發(fā)送命令或改變設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入寄存器：被主機(jī)讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出寄存器：被主機(jī)寫入數(shù)據(jù)以發(fā)送數(shù)據(jù)84、主機(jī)與設(shè)備控制器之間的握手關(guān)系（例）前提：用兩個位協(xié)調(diào)控制器與主機(jī)之間的生產(chǎn)者與消費(fèi)者的關(guān)系，控制器通過狀態(tài)寄存器的忙位（busybit）來顯示其狀態(tài)；主機(jī)通過命令寄存器中命令就緒位來表示其意愿當(dāng)主機(jī)需要通過端口來寫出數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)與控制器之間握手協(xié)調(diào)如下：主機(jī)不斷的讀取忙位，直到該位被清除主機(jī)設(shè)置命令寄存器中的寫位并向數(shù)據(jù)輸出寄存器中寫入一個字節(jié)主機(jī)設(shè)置命令就緒位當(dāng)控制器注意到命令就緒位已被設(shè)置，則設(shè)置忙位控制器讀取命令寄存器，并看到寫入命令。它從數(shù)據(jù)輸出寄存器中讀取一字節(jié)，并向設(shè)備執(zhí)行I/O操作控制器清除命令就緒位，清除狀態(tài)寄存器的故障位以表示設(shè)備I/O成功，清除忙位以表示完成95、輪詢方式的握手執(zhí)行輪詢（忙等待）：在握手關(guān)系中，不斷的讀取狀態(tài)寄存器直到忙位被清除的方式，稱為～通常，輪詢設(shè)備使用3種CPU指令讀取設(shè)備寄存器邏輯AND以提取狀態(tài)位根據(jù)狀態(tài)位是否為0進(jìn)行跳轉(zhuǎn)106、中斷方式的握手執(zhí)行由來：若讓設(shè)備準(zhǔn)備好時(shí)再通知處理器而不是由CPU輪詢外設(shè)I/O是否完成，會提高效率中斷：使外設(shè)通知CPU的硬件機(jī)制基本中斷機(jī)制工作過程（下頁圖）設(shè)備控制器通過中斷請求線發(fā)送信號而引起中斷CPU捕獲中斷并派遣到中斷處理程序中斷處理程序通過處理設(shè)備來清除中斷11設(shè)備驅(qū)動器初始化I/OCPU接收到中斷，將控制權(quán)交給中斷處理程序中斷處理程序處理數(shù)據(jù)，從中斷返回CPU繼續(xù)處理被中斷的任務(wù)輸入準(zhǔn)備就緒，輸出完畢或出錯，產(chǎn)生中斷信號初始化I/OCPU1I/O控制器CPU執(zhí)行檢查指令之間的中斷352674采用中斷驅(qū)動的I/O循環(huán)周期12關(guān)于中斷的其他問題復(fù)雜的中斷處理特性（現(xiàn)代操作系統(tǒng)）在做關(guān)鍵處理時(shí)，能夠延遲中斷處理更為有效的將中斷派遣到合適的中斷處理程序區(qū)分中斷優(yōu)先級，根據(jù)緊迫程度來響應(yīng)中斷類型非屏蔽中斷：主要用來處理如不可恢復(fù)內(nèi)存錯誤等事件可屏蔽中斷：可以由CPU在執(zhí)行關(guān)鍵的不可中斷的指令序列前加以屏蔽中斷向量（interruptvector）：包含了特殊中斷處理程序的內(nèi)存地址中斷優(yōu)先級（interruptpriority）：使CPU延遲處理低優(yōu)先級中斷而不屏蔽所有中斷，也可以讓高優(yōu)先級中斷搶占低優(yōu)先級中斷處理137、DMA控制器的握手執(zhí)行（直接內(nèi)存訪問）DMA控制器（direct-memoryaccess）：直接操作內(nèi)存總線，無需主CPU的幫助即可以將地址放到總線以開始傳輸DMA控制器與設(shè)備控制器之間的握手當(dāng)有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，設(shè)備控制器通過DMA-request線發(fā)送信號上述信號導(dǎo)致DMA控制器抓住內(nèi)存總線，并在內(nèi)存地址總線上放上所需地址，并通過DMA-acknowledge線發(fā)送信號當(dāng)設(shè)備控制器收到DMA-acknowledge信號時(shí)，就可以向內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，并清除DMA-request請求信號當(dāng)整個傳輸完成，DMA控制器中斷CPU優(yōu)點(diǎn)：將大量傳輸工作下交給DMA控制器，能夠減輕CPU負(fù)擔(dān)，改善系統(tǒng)性能14思考在設(shè)備和內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)的方式中，DMA方式與中斷方式的區(qū)別是什么？DMA方式：一個數(shù)據(jù)塊傳送完后發(fā)中斷，DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送中斷方式：數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿時(shí)發(fā)中斷，CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送1513.3I/O應(yīng)用接口問題：從詳細(xì)而不同的I/O設(shè)備中抽象出一些通用類型，每個通用類型都可以通過一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（即接口）來訪問設(shè)備的差異字符流或塊順序或隨機(jī)訪問同步或異步共享或?qū)Ｓ貌僮魉俣茸x寫、只讀、只寫16一些基本概念塊設(shè)備接口訪問：內(nèi)存映射文件訪問（通過內(nèi)存中的字節(jié)數(shù)組來訪問磁盤存儲）字符流接口訪問：鍵盤網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)套接字接口時(shí)鐘與定時(shí)器通常具有如下基本函數(shù)獲取當(dāng)前時(shí)間獲取已經(jīng)逝去的時(shí)間設(shè)置定時(shí)器以在T時(shí)觸發(fā)操作X阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出阻塞系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行就被終止非阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出非阻塞系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行不會被終止異步系統(tǒng)調(diào)用：不必等待I/O完成就可以立即返回，應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行其代碼1713.4I/O內(nèi)核子系統(tǒng)I/O調(diào)度定義：確定一個好的順序來執(zhí)行一組I/O請求優(yōu)點(diǎn)能夠改善系統(tǒng)整體性能能在進(jìn)程之間公平的共享設(shè)備訪問能減少I/O完成所需要的平均等待時(shí)間182、緩沖作用：用來保存在兩設(shè)備之間或在設(shè)備和應(yīng)用程序之間所傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域采用緩沖的理由處理數(shù)據(jù)流的生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的速度差異協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設(shè)備應(yīng)用程序I/O的拷貝語義拷貝語義：操作系統(tǒng)保證要寫入磁盤的數(shù)據(jù)就是write系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時(shí)的版本，而無需考慮應(yīng)用程序緩沖區(qū)隨后發(fā)生的變化緩沖類型單緩沖雙緩沖環(huán)形緩沖緩沖池193、高速緩存（cache）作用可以保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存高速緩存拷貝的訪問比原始數(shù)據(jù)訪問更為高效緩沖與高速緩存的差別緩沖只保留數(shù)據(jù)僅有的一個現(xiàn)存拷貝高速緩存只是提供了一個駐留在其他地方的數(shù)據(jù)的一個高速拷貝204、假脫機(jī)（spool）與設(shè)備預(yù)留Spool：用來保存設(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)流工作過程（以打印機(jī)為例）應(yīng)用程序的輸出先是假脫機(jī)到一個獨(dú)立的磁盤文件上當(dāng)應(yīng)用程序完成打印時(shí)，假脫機(jī)系統(tǒng)將對相應(yīng)的待送打印機(jī)的假脫機(jī)文件進(jìn)行排隊(duì)假脫機(jī)系統(tǒng)一次拷貝一個已排隊(duì)的假脫機(jī)文件到打印機(jī)上假脫機(jī)是一種操作系統(tǒng)可以用來協(xié)調(diào)并發(fā)輸出的方法215、錯誤處理錯誤類型短暫（網(wǎng)絡(luò)過載）：操作系統(tǒng)可以進(jìn)行彌補(bǔ)永久（磁盤控制器缺陷）：操作系統(tǒng)不可能從中恢復(fù)錯誤處理方法I/O系統(tǒng)調(diào)用返回一位調(diào)用狀態(tài)信息，用以表示成功或失敗維護(hù)一個出錯日志信息，供主機(jī)查詢（少用）22總結(jié)I/O子系統(tǒng)的功能文件和目錄的命名空間的管理文件和目錄的訪問控制操作控制文件系統(tǒng)空間分配設(shè)備分配緩沖、高速緩存和假脫機(jī)I/O調(diào)度設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、錯誤處理、失敗恢復(fù)設(shè)備驅(qū)動程序的配置和初始化2313.5把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作已在buffer中?設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)置寄存器，然后被阻塞直到中斷發(fā)生。數(shù)據(jù)傳給進(jìn)程,并喚醒它。完成

或出錯接受中斷，喚醒設(shè)備驅(qū)動程序。2413.6流（stream）流：在設(shè)備驅(qū)動程序和用戶級進(jìn)程之間的全工連接流控制：隊(duì)列會緩沖消息而且如果沒有足夠緩沖空間就不會接收消息使用流的好處：流可以提供一個框架以便模塊化的遞增的編寫設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2513.7性能I/O是影響系統(tǒng)性能的重要因素