第7章-輸入輸出管理

操作系統(tǒng)原理第7章輸入/輸出管理內(nèi)容摘要I/O管理概述I/O軟件層次輸入/輸出控制方式緩沖技術(shù)設(shè)備分配Linux的I/O管理2I/O設(shè)備分類按設(shè)備的使用特性分類：存儲(chǔ)設(shè)備、I/O設(shè)備按設(shè)備的共享屬性分類：獨(dú)占設(shè)備：在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶進(jìn)程使用的設(shè)備；共享設(shè)備：在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備；虛擬設(shè)備：通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備改造成若干臺(tái)邏輯設(shè)備；按信息交換單位分類：塊設(shè)備、字符設(shè)備；按傳輸速度分類：低速設(shè)備、中速設(shè)備、高速設(shè)備；3I/O設(shè)備管理功能設(shè)備分配：按照設(shè)備類型和相應(yīng)的分配算法決定將I/O分配給哪一個(gè)要求使用該設(shè)備的進(jìn)程；設(shè)備處理：實(shí)現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信；緩沖管理：緩和CPU與I/O設(shè)備速度不匹配的矛盾；設(shè)備獨(dú)立性：應(yīng)用程序獨(dú)立于實(shí)際使用的物理設(shè)備；4設(shè)備控制器設(shè)備控制器：設(shè)備的電子部分，應(yīng)具有：接收和識(shí)別來自CPU的各種命令；實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器、設(shè)備控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；記錄設(shè)備的狀態(tài)供CPU查詢；可識(shí)別控制的每個(gè)設(shè)備的地址；5I/O通道I/O通道，具備功能：接收CPU發(fā)來的I/O指令，選擇外圍設(shè)備連接；執(zhí)行CPU為通道組織的通道程序；給出外圍設(shè)備的有關(guān)地址；給出主存緩沖區(qū)的首地址；控制外圍設(shè)備與主存緩沖區(qū)之間數(shù)據(jù)交換的個(gè)數(shù)，計(jì)數(shù)，判斷是否結(jié)束；指定傳送工作結(jié)束時(shí)要進(jìn)行的操作；檢查外圍設(shè)備的工作狀態(tài)是否正?；蚬收?；在數(shù)據(jù)傳輸過程中完成必要的格式變換；6I/O通道（續(xù)）根據(jù)信息交換方式的不同：字符多路通道：以字節(jié)為單位傳輸信息，可以分時(shí)地執(zhí)行多個(gè)通道程序；主要用于連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備；數(shù)組選擇通道：可以連接多臺(tái)高速設(shè)備，只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序；數(shù)組多路通道：先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)接，為另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行通道指令；7I/O軟件層次I/O軟件設(shè)計(jì)基本思想：將設(shè)備管理軟件組織成一種層次結(jié)構(gòu)。底層軟件與硬件相關(guān)，用來屏蔽硬件的具體細(xì)節(jié)；高層軟件為用戶提供一個(gè)友好、清晰而統(tǒng)一的接口。分為4層：中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、與設(shè)備無關(guān)的軟件、用戶空間的軟件；8中斷處理程序中斷是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生了某一急需處理的事件，使得CPU暫時(shí)中止當(dāng)前正在執(zhí)行的程序，而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序，待處理完畢后又返回到原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行；當(dāng)設(shè)備完成I/O操作時(shí)，便向CPU發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷后便轉(zhuǎn)入中斷處理程序；9中斷處理程序（續(xù)）中斷處理過程步驟：?jiǎn)拘驯蛔枞尿?qū)動(dòng)程序進(jìn)程；保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境；分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序；進(jìn)行中斷處理，判斷設(shè)備狀態(tài)，做相應(yīng)處理；恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)；10設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序所有與設(shè)備相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，應(yīng)為每一類設(shè)備配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序，或?yàn)橐活惷芮邢嚓P(guān)的設(shè)備配置一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序；任務(wù)：接收來自與設(shè)備無關(guān)的上層軟件的抽象請(qǐng)求，將這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成設(shè)備控制器可以接受的具體命令，再將這些命令發(fā)送給設(shè)備控制器，并監(jiān)督這些命令是否正確執(zhí)行；空閑則立即執(zhí)行，否則插入等待隊(duì)列；磁盤驅(qū)動(dòng)程序：第一步將抽象請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成具體形式，計(jì)算請(qǐng)求塊實(shí)際在磁盤上的位置，檢查驅(qū)動(dòng)器的電機(jī)是否正在運(yùn)轉(zhuǎn)，確定磁頭是否定位在正確的柱面上；決定需要設(shè)備控制器做哪些操作，以及按照什么樣的次序執(zhí)行操作；11設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（續(xù)）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序發(fā)出命令后，系統(tǒng)處理方式：設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序必須等待控制器完成操作，所以設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序阻塞自己，直到中斷信號(hào)將其喚醒；操作很快完成，基本沒有延遲，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不需要阻塞；操作完成后，檢查是否有錯(cuò)；若正常，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)傳送到與設(shè)備無關(guān)的軟件層；向調(diào)用者返回一些用于錯(cuò)誤報(bào)告的狀態(tài)信息；若還有其他未完成請(qǐng)求在排隊(duì)，則選擇一個(gè)啟動(dòng)執(zhí)行；若隊(duì)列中沒有未完成的請(qǐng)求，則等待下一個(gè)請(qǐng)求；12與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件基本任務(wù)：實(shí)現(xiàn)一般設(shè)備都需要的I/O功能，并向用戶空間軟件提供一個(gè)統(tǒng)一的接口；設(shè)備命名：負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號(hào)名映射到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序上；設(shè)備保護(hù)：對(duì)設(shè)備進(jìn)行必要的保護(hù)，防止無授權(quán)的應(yīng)用或用戶非法使用；提供與設(shè)備無關(guān)的邏輯塊：向高層軟件隱蔽物理細(xì)節(jié)，并給上層提供統(tǒng)一的邏輯塊接口；13與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件（續(xù)）4.緩沖：塊設(shè)備，硬件一般一次讀寫一個(gè)完整的塊，而用戶進(jìn)程是按任意單位讀寫數(shù)據(jù)的；字符設(shè)備，當(dāng)用戶進(jìn)程輸出數(shù)據(jù)的速度快于設(shè)備輸出數(shù)據(jù)的速度時(shí)，必須使用緩沖；5.存儲(chǔ)設(shè)備的塊分配：在創(chuàng)建一個(gè)文件并向其中寫入數(shù)據(jù)時(shí)，通常要為該文件分配新的存儲(chǔ)塊；空閑磁盤塊表或位示圖、分配算法與設(shè)備無關(guān)；6.獨(dú)占設(shè)備的分配和釋放：對(duì)設(shè)備的使用請(qǐng)求進(jìn)行檢查，并根據(jù)設(shè)備的可用狀況決定是否接收該請(qǐng)求；7.出錯(cuò)處理：大多數(shù)出錯(cuò)處理由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成；向調(diào)用者報(bào)告錯(cuò)誤；打印錯(cuò)誤信息；14用戶空間的I/O軟件I/O系統(tǒng)調(diào)用，庫函數(shù)：格式化輸入/輸出；Spooling系統(tǒng)，多道程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)中處理獨(dú)占I/O設(shè)備一種方法：守護(hù)進(jìn)程、特殊目錄；打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸、Internet郵件；15程序直接控制方式早期計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，沒有中斷機(jī)構(gòu)；數(shù)據(jù)輸入為例，由處理機(jī)向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令，啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行輸入，在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)期間，處理機(jī)通過循環(huán)執(zhí)行測(cè)試指令，不間斷檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)寄存器的值，當(dāng)狀態(tài)寄存器的值顯示設(shè)備輸入完成時(shí)，處理機(jī)將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存指定單元；工作過程簡(jiǎn)單，由于CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性之間的矛盾，CPU的絕大部分時(shí)間都處于循環(huán)測(cè)試中，致使CPU的利用率相當(dāng)?shù)停?6中斷控制方式現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)廣泛采用，減少CPU等待時(shí)間，提高CPU與設(shè)備的并行工作程度；數(shù)據(jù)輸入為例，由CPU向設(shè)備控制器發(fā)出指令啟動(dòng)外設(shè)輸入數(shù)據(jù)；在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的同時(shí)，CPU可以去做其他工作；當(dāng)設(shè)備輸入完成時(shí)，設(shè)備控制器會(huì)向CPU發(fā)送一個(gè)中斷信號(hào)，CPU接收到中斷信號(hào)之后，執(zhí)行設(shè)備中斷處理程序；中斷處理程序?qū)⑤斎霐?shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定內(nèi)存單元中，供要求輸入的進(jìn)程使用；與直接控制方式相比，大大提高CPU利用率，支持CPU與設(shè)備的并行工作；輸入/輸出數(shù)據(jù)時(shí)，中斷發(fā)生次數(shù)較多，耗費(fèi)大量的CPU時(shí)間；17直接內(nèi)存存取控制方式DMA，用于高速外部設(shè)備與內(nèi)存之間批量數(shù)據(jù)的傳輸；DMA控制器包括：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制寄存器；基本思想：在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路；使用專門的DMA控制器，利用總線程控制權(quán)的方法，由DMA控制器送出內(nèi)存地址和發(fā)出內(nèi)存讀、設(shè)備寫或設(shè)備讀、內(nèi)存寫的控制信號(hào)，完成內(nèi)存和設(shè)備之間的直接數(shù)據(jù)傳送，不用CPU干預(yù)；當(dāng)本次DMA傳送的數(shù)據(jù)全部完成時(shí)才產(chǎn)生中斷，請(qǐng)求CPU進(jìn)行結(jié)束處理；DMA控制方式與中斷控制方式的主要區(qū)別：中斷控制方式在每個(gè)數(shù)據(jù)傳送完成后中斷CPU，DMA控制方式在所要求傳送的數(shù)據(jù)全部傳送結(jié)束時(shí)中斷CPU；中斷控制方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時(shí)由CPU控制完成，DMA控制方式的數(shù)據(jù)傳送則是在DMA控制器的控制下完成。18通道控制方式與DMA方式類似，以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式；數(shù)據(jù)輸入為例，CPU發(fā)出啟動(dòng)指令明確要執(zhí)行的I/O操作、所使用的設(shè)備和通道；當(dāng)對(duì)應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來的啟動(dòng)指令后，把存放在內(nèi)存中的通道程序讀出，并執(zhí)行通道程序，控制設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存中指定的區(qū)域；在設(shè)備進(jìn)行輸入的同時(shí)，CPU可以去做其他工作；當(dāng)數(shù)據(jù)傳送結(jié)束時(shí)，設(shè)備控制器向CPU發(fā)送中斷請(qǐng)求；CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，中斷結(jié)束后返回中斷程序；相當(dāng)于一個(gè)功能簡(jiǎn)單的處理機(jī)；19緩沖技術(shù)的引入引入原因：改善CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾；可以減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制；提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性，提高系統(tǒng)的吞吐量和設(shè)備的利用率；實(shí)現(xiàn)方法：采用硬件緩沖器實(shí)現(xiàn)；緩沖區(qū)：在內(nèi)存中劃出一塊存儲(chǔ)區(qū)，專門用來臨時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)；20緩沖的分類單緩沖：最簡(jiǎn)單的緩沖形式，在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖器；設(shè)備和處理機(jī)交換數(shù)據(jù)時(shí)，先把被交換數(shù)據(jù)寫入緩沖器，然后，需要數(shù)據(jù)的設(shè)備或處理機(jī)從緩沖器取走數(shù)據(jù)；緩沖器屬于臨界資源；雙緩沖：提高處理機(jī)與設(shè)備的并行操作程度；輪換使用兩個(gè)緩沖區(qū)；循環(huán)緩沖：包含多個(gè)大小相等的緩沖區(qū)，