I/O系统

Posted 2020-09-30 chaunceyctx

I/O系统结构：

I/O管理：

应用程序若想访问磁盘上文件，要多经过文件系统，之后通过I/O设备管理来对相应的硬件进行操作。

I/O设备管理包括：

逻辑I/O，设备驱动程序，中断服务程序

 

I/O设备特点：

I/O性能经常成为系统性能的瓶颈

操作系统庞大复杂的原因之一：资源多、杂，并发，均来自I/O

与其他功能联系密切，特别是文件系统

 

设备分类：

块设备
以数据块为单位存储、传输信息

特点：
传输速率较高、可寻址（随机读写）
字符设备
以字符为单位存储、传输信息

特点：
传输速率低、不可寻址

 

I/O管理的目标和任务：

目标(1) 按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换，最终完成用户的I/O请求

任务：

  实现设备分配与回收

  记录设备的状态

  根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择一条数据通路

  执行设备驱动程序，实现真正的I/O操作

  设备中断处理：处理外部设备的中断

  缓冲区管理：管理I/O缓冲区

目标(2) 建立方便、统一的独立于设备的接口

方便性：向用户提供使用外
部设备的方便接口，使用户
编程时

统一性：对不同的设备采取
统一的操作方式，即在用户
程序中使用的是逻辑设备
    逻辑设备与物理设备
    屏蔽硬件细节

目标（3）

充分利用各种技术（通道，中断，缓冲，异步I/O等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率

目标(4) 保护设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的

 

 

I/O硬件：

I/O设备一般由机械（设备本身）和电子（设备控制器）两部分组成

设备控制器作用：

（1）操作系统将命令写入控制器的接口寄存器（或接口缓冲区）中，以实现输入／输出，并从接口寄存器读取状态信息或结果信息

（2）当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以另外执行其他计算；命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统；通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态

（3）控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口

（4）控制器的任务：把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正：首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块；在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到内存中

 

I/O端口地址：

接口电路中每个寄存器具有的、唯一的地址，而且是个整数，所有I/O端口地址形成I/O端口空间(受到保护)

I/O指令形式与I/O地址是相互关联的， 主要有两种形式：
   内存映像编址（内存映像I/O模式）
   I/O独立编址（I/O专用指令）

内存镜像编址：

a,b,c代表三种不同的内存编址方式，最后一种应用了缓冲技术，即I/O端口地址映射到内存中某个区域。

分配给系统中所有端口的地址空间与内存的地址空间统一编址

把I/O端口看作一个存储单元，对I/O的读写操作等同于对内存的操作

优点：
  凡是可对内存操作的指令都可对I/O端口操作

  不需要专门的I/O指令

   I/O端口可占有较大的地址空间

   不需要特殊的保护机制来阻止用户进程执行I/O操作，但是OS必须保证那部分覅只空间不能分配给其他用户进程

   可以引用内存的每一条指令也可以引用控制寄存器

缺点：
   占用内存空间

 

I/O独立编址：

分配给系统中所有端口的地址空间完全独立，与内存地址空间无关

使用专门的I/O指令对端口进行操作

优点

  外设不占用内存的地址空间，导致编程时易于区分是对内存操作还是对I/O端口操作

缺点：

  1.I/O端口操作的指令类型少，操作不灵活

           

           例子：在8086/8088中，分配给I/O端口的地址空间64K，0000H~0FFFFH，只能用in和out指令进行读写操作

2.对一个设备控制寄存器不能进行高速缓存

    例如：

　　      

LOOP：TEST PORT-4 //检测端口4是否为0
BEQ READY //如果为0，转向READY
BRANCH LOOP //否则，继续测试
READY：

第一次引用PORT_4将导致它被高速缓存，随后的引用将只从高速缓存中取值（因为端口已在cache中）并且不会再查询设备，之后当设备最终变为就绪时，软件将没有办法发现这一点，结果循环将永远进行下去，为避免这一情形，硬件必须针对每个页面具备选择性禁用高速缓存的能力，操作系统必须管理选择性高速缓存，所以这一特性为硬件和操作系统两者增添了额外的复杂性

 

I/O控制方式：

（1）可编程I/O（轮询/查询）
由CPU代表进程给I/O模块发I/O命令，进程进入忙等待，直到操作完成才继续执行

（2）中断驱动I/O
为了减少设备驱动程序不断地询问控制器状态寄存器的开销，I/O操作结束后，由设备控制器主动通知设备驱动程序

（3）DMA

对于可编程I/O：

过程：一个应用程序想从设备上读取数据，它会发送信息给设备驱动程序，设备驱动程序会检查设备状态，如果设备为空闲状态，再往设备发送控制命令，之后不断测试设备是否完成任务，完成后就把数据返回到应用程序

中断驱动I/O：

过程：

一个应用程序想从设备上读取数据，它会发送信息给设备驱动程序，设备驱动程序会检查设备状态，如果设备为空闲状态，再往设备发送控制命令，然后把设备状态记录在设备状态表中，若设备完成后就向CPU发送中断信号，CPU接收到该信号，就执行中断处理程序，若发现I/O设备本次操作正常，将CPU执行权再交给设备处理程序，其将设备中对应设备信息取出，发送给应用程序。

 

 I/O软件组成：

分层思想：

把I/O软件组织成多个层次

每一层都执行操作系统所需要的功能的一个相关子集，它依赖于更低一层所执行的更原始的功能，从而可以隐藏这些功能的细节；同时，它又给高一层提供服务

较低层考虑硬件的特性，并向较高层软件提供接口

较高层不依赖于硬件，并向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口

I/O软件层次：

（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对I/O数据进行格式化，为假脱机输入/输出作准备

（2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配

（3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态

（4）中断处理程序负责I/O完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理

（5）硬件层实现物理I/O的操作

 

I/O相关技术：

缓冲技术的引入：

其是操作系统中最早引入的技术
　　→ 解决CPU与I/O设备之间速度的不匹配问题：凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术

       → 提高CPU与I/O设备之间的并行性

       → 减少了I/O设备对CPU的中断请求次数，放宽CPU对中断响应时间的要求

缓冲区分类：
硬缓冲：由硬件寄存器实现（例如：设备中设置的缓冲区）

软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区

缓冲区管理：

1.单缓冲
2.双缓冲
3.缓冲池（多缓冲，循环缓冲）：统一管理多个缓冲区，采用有界缓冲区的生产者/消费者模型对缓冲池中的缓冲区进行循环使用

例如：终端输入软件中的键盘驱动程序其任务之一：收集字符,所使用的缓冲区

 

I/O设备管理：

有关的数据结构：

描述设备、控制器等部件的表格：系统中常常为每一个部件、每一台设备分别设置一张表格，常称为设备表或部件控制块。这类表格具体描述设备的类型、标识符、状态，以及当前使用者的进程标识符等
建立同类资源的队列：系统为了方便对I/O设备的分配管理，通常在设备表的基础上通过指针将相同物理属性的设备连成队列（称设备队列）
面向进程I/O请求的动态数据结构：每当进程发出I/O请求时，系统建立一张表格（称I/O请求包），将此次I/O请求的参数填入表中，同时也将该I/O有关的系统缓冲区地址等信息填入表中。I/O请求包随着I/O的完成而被删除
建立I/O队列：如请求包队列

独占设备的分配：

静态分配：

在进程运行前, 完成设备分配；运行结束时，收回设备

缺点：设备利用率低

动态分配：

在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回

优点：效率好；

缺点：分配策略不好时, 产生死锁

分时式共享设备的分配：

1.所谓分时式共享就是以一次I/O为单位分时使用设备，不同进程的I/O操作请求以排队方式分时地占用设备进行I/O

2.由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好

设备驱动程序：

1.与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动程序处理一种设备类型
2.一般，设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求，并执行这个请求
3.每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器，用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令，并监督它们正确执行
4.在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后，系统有两种处理方式，多数情况下，执行设备驱动程序的进程必须等待命令完成，这样，在命令开始执行后，它阻塞自已，直到中断处理时将它解除阻塞为止；而在其它情况下，命令执行不必延迟就很快完成

设备驱动程序与外界的接口：

1.与操作系统的接口：为实现设备无关性，设备作为特殊文件处理。用户的I/O请求、对命令的合法性检查以及参数处理在文件系统中完成。在需要各种设备执行具体操作时，通过相应数据结构转入不同的设备驱动程序

2.与系统引导的接口（初始化，包括分配数据结构，建立设备的请求队列）

3.与设备的接口

 驱动程序中函数：

驱动程序初始化函数（如向操作系统登记该驱动程序的接口函数，该初始化函数在系统启动时或驱动程序安装入内核时执行）

驱动程序卸载函数

申请设备函数

释放设备函数

I/O操作函数：对独占设备，包含启动I/O的指令；对共享设备，将I/O请求形成一个请求包，排到设备请求队列，如果请求队列空，则直接启动设备

中断处理函数：对I/O完成做善后处理，一般是唤醒等待刚完成I/O请求的阻塞进程，使其能进一步做后续工作；如果存在I/O请求队列，则启动下一个I/O请求

 

I/O进程：

专门处理系统中的I/O请求和I/O中断工作

I/O请求的进入
   用户程序：调用send将I/O请求发送给I/O进程；调用block将自己阻塞，直到I/O任务完成后被唤醒
   系统：利用wakeup唤醒I/O进程，完成用户所要求的I/O处理
I/O中断的进入
   当I/O中断发生时，内核中的中断处理程序发一条消息给I/O进程，由I/O进程负责判断并处理中断

对于I/O进程特点：

1.是系统进程，一般赋予最高优先级。一旦被唤醒，它可以很快抢占处理机投入运行
2.I/O进程开始运行后，首先关闭中断，然后用receive去接收消息

接收消息情况：

1.没有消息，则开中断，将自己阻塞

2.有消息，则判断消息类型（I/O请求或I/O中断）
　　a. I/O请求
　 　　准备通道程序，发出启动I/O指令，继续判断有无消息
　　b. I/O中断，进一步判断正常或异常结束

　　　正常：唤醒要求进行I/O操作的进程

       　异常：转入相应的错误处理程序

I/O性能：

为了使CPU利用率尽可能不被I/O降低,使CPU尽可能摆脱I/O，我们：

减少或缓解速度差距 使用 缓冲技术
使CPU不等待I/O 使用 异步I/O
让CPU摆脱I/O操作 使用 DMA、通道

 

异步传输（不要求立刻返回结果）：

通过异步I/O，应用程序可以启动一个I/O操作，然后在I/O请求执行的同时继续处理
基本思想：填充I/O操作间等待的CPU时间

同步I/O（等待直到返回一个结果）：

应用程序被阻塞直到I/O操作完成

 

 

　　　　　　作者水平有限，文章肯定有错还请各位指点！！！感谢！！！