OS-输入输出系统

第六章 输入输出系统

6.1 I/O系统的功能，模型，和接口

基本功能

• 隐藏物理设备的细节
• 与设备的无关性
• 提高处理机和I/O设备的利用率
• 对I/O设备进行控制
• 确保对设备的正确共享
• 错误处理

层次结构

I/O系统接口

• 块设备接口
  • 块设备
  • 隐藏了磁盘的二维结构
  • 将抽象命令映射为低层操作
• 流设备接口
  • 字符设备
  • get和put操作
  • in-control指令
• 网络通信接口

6.2 I/O设备和设备控制器

I/O设备

• 类型
  • 按使用特性分类
    • 存储设备，I/O设备
  • 按传输速率分类
    • 高速，中速，低速
• 设备与控制器的接口

设备控制器

• 基本功能
  • 接收和识别命令
  • 数据交换
  • 标识和报告设备状态
  • 地址识别
  • 数据缓冲区
  • 差错控制
• 组成
  • 设备控制器和处理机的接口
  • 设备控制器和设备的接口
  • I/O逻辑

内存映像I/O

对I/O设备的控制可用以下两种方法

• 利用特定的I/O指令
  • cpu-reg：CPU的某个寄存器
  • dev-no：控制器地址
  • dev-reg：指定控制器中的寄存器
  • 缺点：访问内存和访问设备用两种不同指令
• 内存映像I/O
  • 优点：统一了对内存和对控制器的访问方法

I/O通道

• 目的：建立独立的I/O操作，使原来由CPU处理的I/O任务转由通道承担

• I/O通道是特殊的处理机，指令类型单一，没有自己的内存，与CPU共享内存

• 通道类型

  • 字节多路通道

    • 每个子通道完成一个字节的交换后把主通道让给下个子通道

    

  • 数组选择通道

  • 数组多路通道

• 瓶颈问题

  • 价格昂贵导致通道数量少，通道不足导致瓶颈问题

    • 如想要启动设备4，需要通道1和控制器2，但如果通道1被占用则无法启动

    

  • 解决办法：增加设备到主机的通路而不增加通道

    

6.3 中断机构和中断处理程序

中断

• 中断分类
  • 中断
    • 中断是指CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应
    • CPU暂停正在执行的程序，保留CPU环境后，自动转去执行I/O设备的中断处理程序
    • 执行完再回到断点，继续执行程序
  • 陷入
    • 由CPU内部事件所引起的中断，这类中断称为内中断或陷入
    • 如运算上下溢，程序出错，电源故障
• 中断向量表
  • 每种设备配相应中断处理程序，并把该程序入口地址放在中断向量表的一个表项中
  • 为每个设备的中断请求规定一个中断号，对应中断向量表中的表项
• 中断优先级
• 对多中断源的处理方式
  • 屏蔽中断
    • 处理机在处理中断时，屏蔽所有其他中断，让它们等待
  • 嵌套中断
    • 优先响应最高优先级的中断请求
    • 高优先级的中断请求可以抢占正在运行的低优先级中断的处理机

中断处理程序

处理过程

• 测定是否由未响应的中断信号

• 保护被中断进程的CPU环境

  

• 转入相应的设备处理程序

• 中断处理

• 恢复CPU现场并退出中断

6.4 设备驱动程序

概述

主要任务：接收上层软件发来的抽象I/O要求，转为具体要求发送给设备控制器，启动设备区执行，反之将设备控制器发来的信号传送给上层软件

功能

• 接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作序列
• 检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递参数和设置设备工作方式
• 发出I/O命令
• 及时响应由设备控制器发来的中断请求

设备处理方式

• 为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作
• 在整个系统中设置一个I/O进程，辅助执行系统中各类设备的I/O操作
• 只为设备设置相应的设备驱动程序

处理过程

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. 传递必要参数

5. 启动I/O设备

对I/O设备的控制方式

• 使用轮询的可编程I/O方式
  • 启动输入设备输入数据时，要同时把昨天寄存器中的忙/闲标志busy置为1
  • 然后不断地循环测试busy(轮询)
    • busy=1时，表示输入及尚未输完一个字(符)，继续测试
    • busy=0时，表示输入机已将输入数据送人控制器的数据寄存器中，于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，完成了一个字(符)的I/O
  • 再去启动读下一个数据
• 使用中断的可编程I/O方式
• 直接存储器访问方式
  • 上面两种方式都是以字(节)为单位进行I/O，用于块设备极其低效
  • 按存储器访问方式的引入
    • 该方式数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次至少传送一个数据块
    • 所传送数据从设备之间送入内存
    • 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预
  • DMA控制器的组成
    • 主机，DMA控制器的接口，DMA控制器与块设备的接口，I/O控制逻辑
    • 
    • 命令/状态寄存器CR，内存地址寄存器MAR，数据寄存器DR，数据计数器DC
    • 
• I/O通道控制方式
  • DMA方式的发展，把对一个数据块的读或些为单位的干预，减少为对一组数据块的读或写及相关控制和管理为单位的干预
  • 实现CPU，通道，I/O设备三者的并行操作
  • 通道程序
    • 通道是通过执行通道程序并于设备控制器共同实现对I/O设备的控制的
    • 通道程序是由一系列通道指令所构成的，指令包含以下信息
      • 操作码
      • 内存地址
      • 计数
      • 通道程序结束位P
        • P=1表示本条指令是通道程序最后一条指令
      • 记录结束标志R
        • R=0表示本指令和下条指令所处理的数据同属于一个记录
        • R=1表示这是处理某记录的最后一条指令

6.5 与设备无关的I/O软件

为了实现设备独立性，必须在设备驱动程序之上再设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件

基本概念

• 以物理设备名使用设备
  • 早期OS中，程序使用I/O设备时，用的设备的物理名称，导致如果所请求的物理设备已被分配其他进程，尽管由其他相同设备空闲可用，但物理名不同，所有不能分配给程序
• 引入逻辑设备名
  • 应用程序可用申请分配不同物理名，但逻辑设备名(类型名)相同的设备
  • 用于I/O操作的设备可更换(即重定向)，而不必改变应用程序
• 逻辑设备名称到物理设备名称的转换
  • 配置逻辑设备表进行转换

与设备无关的I/O软件

• 设备驱动程序的统一接口
• 缓冲管理
• 差错控制
  • 暂时性错误
  • 持久性错误
• 对独立设备的分破坏回收
• 独立于设备的逻辑数据块

设备分配

• 设备分配中的数据结构

  

  

• 考虑因素

  • 设备固有属性

    不同设备分配策略不同

    • 独占设备
    • 共享设备
    • 虚拟设备

  • 设备分配算法

    • 先来先服务
    • 优先级高者优先

  • 设备分配中的安全性

    • 安全分配方式
      • 一旦进程以获得某设备后便阻塞，直到I/O操作完成才被唤醒
    • 不安全分配方式

• 独占设备的分配程序

  • 基本的设备分配程序

  • 依次进行分配设备，控制器，通道

逻辑设备表(Logical Unit Table，LUT)

1. 整个系统设置一张LUT，用于单用户系统
2. 每个用户设置一张LUT

6.6 用户层的I/O软件

假脱机系统SPOOLing

假脱机技术

• 为了缓和CPU的高速性和I/O设备低速性之间的矛盾，引入了脱机输入，输出技术。
• 用一道程序模拟脱机输入时外围控制机的功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上
• 再用另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上
• 实质是将独占设备转化为共享设备的技术。
• 这种联机情况下实现的同时外围操作技术称为SPOOLing技术，或称为假脱机技术

SPOOLing组成

• 输入井和输出井：在磁盘上开辟出来的，用于模拟脱机输入，输出时的磁盘
• 输入缓冲区和输出缓冲区：在内存中开辟出来的，用于缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾
• 输入进程和输出进程，用于模拟脱机输入/输出时的外围控制机
• 井管理程序：用于控制作用和磁盘井之间信息的交换

特点

• 提高了I/O速度
• 将独占设备改造为共享设备
• 实现了虚拟设备功能

假脱机打印机系统

• 每当用户进程发出打印输出请求时
  • 在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，将要打印的数据送入其中暂存
  • 为用户进程申请一张空白用户请求打印表，并把打印要求填入，将表挂在假脱机文件队列上
• 真正打印输出由假脱机打印进程负责
  • 从假脱机文件队列队首取出一张用户请求打印表，将数据由输出井传送到内存缓冲区，再交付打印机打印

守护进程

• 允许使用打印机的唯一进程
• 若有打印请求，唤醒，否则睡眠
• 还有很多其他的守护进程，如网络守护进程

6.7 缓冲区管理

缓冲的引入原因

• 缓冲CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾
• 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
• 解决数据粒度不匹配的问题
• 提高CPU与I/O设备之间的并行性

缓冲区分类

把用户进程称为生产者，产生输出；系统为消费者，提取数据输出。如果生产者已经生产，消费者还未准备好结束，则生产者必须暂停等待，若设置了缓冲区，则无需等待就绪，数据可以先输出到缓冲区

单缓冲区

• 磁盘把数据输入到缓冲区时间T，OS把缓冲区数据传送到用户区时间M，CPU对数据出来时间C，T和C可并行
• 
• 若用户进程已有第二行数据输出时，第一行数据尚未提取完毕，则进程应被阻塞

双缓冲区

• 若缓冲区数据仍未被取走，生产者还是得等待，所以引入了双缓冲取机制，又称为缓冲对换
• 
• 双缓冲区还能让两台机器连接时双向数据传输
• 

环形缓冲区

组成

• 多个缓冲区
  • 装输入数据的空缓冲区R
  • 已装满数据的缓冲区G
  • 计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
• 多个指针
  • 指示计算进程下个可用缓冲区G的指针Nextg，
  • 计算进程正在使用的缓冲区C的指针Current
  • 指示输入进程下次可用的空缓冲区指针Nexti

使用

• Getbuf过程
• Releasebuf过程

进程间的同步问题

使用输入循环缓冲，可让输入进程和计算进程并行执行，相应的指针Nexti和Nextg不断沿着顺时针方向移动，可能出现

• Nexti指针追赶上Nextg指针
  • 意味着输入进程输入数据速度大于计算进程处理数据速度，已把全部可用空缓冲区装满，此时输入进程应该被阻塞
• Nextg指针追赶上Nexti指针
  • 意味着输入进程输入数据速度小于计算进程处理数据速度，全部装有输入数据的缓冲区都被抽空，此时计算进程应该被阻塞

缓冲池Buffer Pool

缓冲池与缓冲区的区别在于：缓冲区仅仅是一组内存块的链表，缓存池是包含一个管理的数据结构及一组操作函数的管理机制，用于管理多个缓冲区

组成

• 空白缓冲队列emq
• 输入队列inq
• 输出队列outq

还有四种工作缓冲区：收容输入数据/输出数据的工作缓冲区，用于提前输入/输出数据的工作缓冲区

工作方式

为使进程都能互斥的访问缓冲池队列，为每个队列设置了一个互斥信号量MS(type)，为了进程都能同步的使用缓冲区，又为每个缓冲队列设置了一个资源信号量RS(type)

void Getbuf(unsigned type)
{
	Wait(RS(type));
	Wait(MS(type));
	B(number)=Takebuf(type);
	Signal(MS(type));
}

void Putbuf(type,number)
{
	Wait(MS(type));
	Addbuf(type,number);
	Signal(MS(type));
	Signal(RS(type));
}

6.8 磁盘存储器的性能和调度

磁盘性能简述

磁盘类型

• 软盘和硬盘
• 单片盘和多片盘
• 固定头磁盘和移动头磁盘
  • 固定：每条磁道都有读写磁头
  • 移动：每个盘面仅有一个磁头，为访问盘面上的所有磁道，磁头必须移动进行寻道，本节主要针对该磁盘

磁盘访问时间

• 寻道时间Ts：磁头移动道指定磁道所经历时间
  • 启动时间s，移动n条磁道，每条m时间
  • Ts=m x n+s
• 旋转延迟时间Tr
• 传输时间Tt

磁盘调度算法

以下图例子进程请求访问磁盘先后次序按FCFS为准！

先来先服务FCFS

• 按进程请求访问磁盘的先后次序进行调度

最短寻道时间优先SSTF

• 要求访问的磁道与当前磁头所在磁道距离最近，使每次寻道时间最短

基于扫描的磁盘调度算法

• 扫描SCAN算法/电梯算法

  • 基于优先级的调度算法
  • 不仅考虑与当前磁道的距离，更优先考虑磁头当前的移动方式

• 循环扫描CSCAN算法

  • 将最小磁道号紧接最大磁道号构成循环，进行循环扫描

  

• NStepSCAN和FSCAN调度算法

  • NStepSCAN
    • 将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，按FCFS算法依次处理，每处理一个队列时又是按SCAN算法，避免出现粘着现象
    • 粘着现象即是磁臂停留在某处不动的情况
  • FSCAN
    • 将磁盘请求队列分成两个子队列
      • 由当前所有请求磁盘I/O的进程形成的
      • 在扫描期间新出现的所有请求磁盘I/O的进程放入等待处理的请求队列