操作系统-IO系统

一、前言

I/O系统是OS的重要组成部分，完成用户提出I/O的请求。

二、I/O系统

I/O软件的层次结构：

（1）用户层I/O软件，实现与用户交互的接口。

（2）设备独立性软件，实现用户程序与设备驱动程序的统一接口。

（3）设备驱动程序，与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作命令。

（4）中断处理程序，用户保存cpu环境，转入相应的中断处理程序，处理完毕之后再恢复被中断进程的现场，返回被中断的进程。

I/O系统中包括I/O系统接口和软件/硬件接口。I/O系统接口主要用于高层与I/O系统的接口，软件/硬件接口主要用于中断处理程序和用于不同设备的设备驱动程序。

三、I/O设备与设备控制器

3.1设备

分为块设备和字符设备、独占设备和共享设备、高速和低速设备。

设备与控制器之间的接口，数据信号线，控制信号线和状态信号线。

3.2设备控制器

设备控制器应具有以下功能：接收和识别命令，执行处理器发来的命令；数据交换；标识和识别设备的状态；地址识别；数据缓冲区；差错控制。

设备控制器组成：

（1）设备控制器与处理机的接口：用于实现cpu与设备控制器的通信。

（2）设备控制器与设备的接口：设备控制器可以连接多个设备。

（3）I/O逻辑：用于实现对设备的控制。

3.3内存映像I/O

驱动程序将抽象I/O命令转换出一系列具体的命令、参数等数据装入设备控制器的相应寄存器，由控制器来执行这些命令。

3.4I/O通道

通道为了减少cpu与I/O设备的负担，在主机配置多个外设时，cpu的负担仍然很重。

通道类型：字节多路通道、数组选择通道、数组多路选择通道。

四、中断结构与处理程序

4.1中断

       中断是指cpu对I/O设备发来的中断信号的一种相应。

       陷入是指cpu内部事件所引起的中断。

       中断向量表，由中断控制器确定请求中断的中断号，根据中断号寻找中继向量表，从中取得中断处理程序的入口地址。

       中断存在优先级的区别。当多个中断源发出中断时，系统可以采取两种策略，一种是屏蔽中断，一种是嵌套中断。

4.2中断处理程序

（1）测定是否有未响应的中断信号。

（2）保护中断进程的cpu环境。

（3）转入相应的设备处理程序。

（4）中断处理

（5）恢复cpu现场并退出中断。

五、设备驱动程序

（1）将抽象要求转换为具体要求

（2）对服务请求进行校验

（3）检查设备状态

（4）传送必要的参数

（5）启动I/O设备

对I/O设备的控制方式：

（1）轮询可编程的I/O方式

（2）使用中断的可编程方式

（3）直接存储器访问方式

（4）I/O通道控制方式

六、与设备无关的I/O软件

6.1设备分配的数据结构

（1）设备控制表

（2）控制器控制表

（3）通道控制表

（4）系统设备表

（1）分配设备（2）分配控制器（3）分配通道

6.3逻辑设备表

用于进行逻辑设备名到物理设备名的映射。包含逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址。

七、用户层I/O软件

      SPOOLing 系统主要有以下三部分： 

       (1) 输入井和输出井。这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。输入井是模拟脱机输入时 的磁盘设备，用于暂存 I/O 设备输入的数据；输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于暂存用 户程序的输出数据。 

       (2) 输入缓冲区和输出缓冲区。为了缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存 中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的 数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输 出设备。

       (3) 输入进程 SPi和输出进程 SPo。这里利用两个进程来模拟脱机 I/O 时的外围控制机。 其中，进程 SPi模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入机通过输入缓冲区 再送到输入井，当 CPU 需要输入数据时，直接从输入井读入内存；进程 SPo模拟脱机输出 时的外围控制机，把用户要求输出的数据先从内存送到输出井，待输出设备空闲时，再将 输出井中的数据经过输出缓冲区送到输出设备上。

 

缓冲区的引入

（1）缓和cpu与I/O速度不匹配的矛盾。

（2）减少对cpu的中断频率，放宽中断相应时间的限制。

（3）解决数据粒度不匹配的问题。

（4）提高cpu与I/O设备的并行度。

循环缓冲区：

(1)  Getbuf 过程。当计算进程要使用缓冲区中的数据时，可调用 Getbuf 过程。该过程 将由指针 Nextg 所指示的缓冲区提供给进程使用，相应地，须把它改为现行工作缓冲区， 并令 Current 指针指向该缓冲区的第一个单元，同 时 将 Nextg 移向下一个 G 缓冲区。类 似 地 ， 每 当 输入进程要使用空缓冲区来装入数据时，也调用 Getbuf 过程，由该过程将指针 Nexti 所指示的缓冲区提供给输入进程使用，同时将 Nexti 指针移向下一个 R 缓冲区。

 (2) Releasebuf 过程。当计算进程把 C 缓冲区中的数据提取完毕时，便调用 Releasebuf 过程，将缓冲区 C 释放。此时，把该缓冲区由当前(现行)工作缓冲区 C 改为空缓冲区 R。类 似地，当输入进程把缓冲区装满时，也应调用 Releasebuf 过程，将该缓冲区释放，并改为 G 缓冲区。

缓冲区的构成：

       (1) 空缓冲队列 emq。这是由空缓冲区所链成的队列。其队首指针 F(emq)和队尾指针 L(emq)分别指向该队列的首缓冲区和尾缓冲区。 

       (2) 输入队列 inq。这是由装满输入数据的缓冲区所链成的队列。其队首指针 F(inq)和 队尾指针 L(inq)分别指向该队列的首缓冲区和尾缓冲区。 

       (3) 输出队列 outq。这是由装满输出数据的缓冲区所链成的队列。其队首指针 F(outq)和 队尾指针 L(outq)分别指向该队列的首缓冲区和尾缓冲区

缓冲区的使用方式：

       (1) 收容输入。在输入进程需要输入数据时，便调用 Getbuf(emq)过程，从空缓冲队列 emq 的队首摘下一空缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区 hin。然后，把数据输入其中， 装满后再调用 Putbuf(inq，hin)过程，将该缓冲区挂在输入队列 inq 上。 

       (2) 提取输入。当计算进程需要输入数据时，调用 Getbuf(inq)过程，从输入队列 inq 的 队首取得一个缓冲区，作为提取输入工作缓冲区(sin)，计算进程从中提取数据。计算进程用 完该数据后，再调用 Putbuf(emq，sin)过程，将该缓冲区挂到空缓冲队列 emq 上。

       (3) 收容输出。当计算进程需要输出时，调用 Getbuf(emq)过程从空缓冲队列 emq 的队 首取得一个空缓冲区，作为收容输出工作缓冲区 hout。当其中装满输出数据后，又调用 Putbuf(outq，hout)过程，将该缓冲区挂在 outq 末尾。 

       (4) 提取输出。由输出进程调用 Getbuf(outq)过程，从输出队列的队首取得一装满输出 数据的缓冲区，作为提取输出工作缓冲区 sout。在数据提取完后，再调用 Putbuf(emq，sout) 过程，将该缓冲区挂在空缓冲队列末尾