操作系统-输入输出系统

输入输出系统

I/O系统层次结构

用户层软件

与用户交互的接口，用户可直接调用该层的库函数对设备进场操作
设备独立性软件

用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口，设备命名，设备保护以及设备分配和释放
设备驱动程序

与硬件相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令。
中断处理程序

保存被中断进场的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完恢复现场

模块之间的层次视图

I/O系统接口

它是I/O系统和上次系统之间的接口，向上层提供设备进行操作的抽象命令，根据设备类型不同，可分为：
- 块设备接口
  
  块设备：指数据的存储和传输都是以数据块为单位的设备，常见的是磁盘。磁盘的地址需要用磁道号和扇区号表示，当上层发来读命令的时候，该接口会将抽象的命令转换为磁盘的盘面，磁道和扇区。
- 流设备接口
  
  字符设备：数据的存储和传输都是以字节为单位的设备，常见的是键盘，打印机。字符设备通常设立一个字符缓冲区，I/O字符流顺序的进入字符缓冲区，顺序的送出
- 网络通信接口
软件/硬件（RW/HW）接口

软硬件接口，上面是中断处理程序和用于不同设备的设备驱动程序，下面是各种设备的控制器，这两个接口之间就I/O系统
I/O系统
- 中断处理程序
  
  直接与硬件交换，当有中断信号来时，中断处理程序首先保存被中断进场的CPU环境，然后转入相应的设备中断程序处理，处理完后恢复现场。
- 设备驱动程序
  
  驱动程序是进程和设备控制器直接的通信程序，将上层发来的抽象I/O请求转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制器中的命令和参数寄存器。
- 设备独立性软件
  
  实现与设备无关，I/O软件独立与具体使用的物理设备

I/O设备和设备控制器

设备控制器

组成：

设备控制器与处理机接口

实现CPU与设备控制器之间的通信
设备控制器与设备接口

在控制器上连接一个或者多个设备
I/O逻辑

对设备进行控制，当CPU需要操作一个设备的时候，由I/O逻辑对收到的地址译码，再根据译出的命令对所选的设备进行控制

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

I/O通道

I/O通道是一种特殊的处理机，具有执行I/O命令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作，指令单一，只能执行I/O操作有关的命令，且通道没有自己内存，与CPU共享内存，其目的是让CPU从繁杂的I/O任务中解脱

通道类型

字节多路通道

数组选择通道
数组多路通道

中断

中断是CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应

中断的处理方式

屏蔽中断

当处理机处理一个中断的时候，会屏蔽所有的中断，一直到该中断处理完才会处理新的中断
嵌套中断

CPU优先响应最高优先级的中断请求，所有高优先级的中断请求可以抢占低优先级的

中断的处理过程：

测定是否有未响应的中断信号
保护被中断进程的CPU环境
转入相应的设备驱动程序
中断处理
恢复COU现场并退出中断

设备驱动程序

设备驱动程序的任务是接收上层软件发来的抽象命令，把它们转变为对应设备的具体参数和命令，发给设备控制器，启动设备执行

设备驱动器处理过程：

将抽象的命令转变为具体设备的命令
对服务请求进行检验
检查设备的状态
传送必要的参数
启动I/O设备

I/O设备的控制方式

使用轮询的可编程I/O方式

处理机发送出一条I/O指令之后，不断的询问是否I/O命令是否完成，这个方式极大的浪费了CPU的资源
使用中断的可编程I/O方式

CPU发出一条指令之后，继续执行它原来的任务，由控制器代替CPU指定IO设备，当CPU需要设备的数据时，控制器发出中断信号，告诉CPU数据已经准备好，可以来取。
直接存储器访问方式

中断I/O方式是一字节为单位进行I/O操作，每当完成一个字节的传输时，就需要中断，让CPU读取，这样产生了直接存储器访问方式，这种方式是以数据块为单位传输，直接送入内存中，只有在开始和结束的时候需要CPU干预，整块数据在控制器的控制下完成。

DMA控制器的组成：
- 主机与DMA控制器的接口
- DMA控制器与块设备的接口
- I/O控制逻辑
I/O通道控制方式

DMA控制方式虽然进一步减少了CPU对I/O设备的干预，从对字节干预减少到对数据块的干预，但CPU每次发出一条指令，只能读取或写一个连续的数据块，并不能同时对不同的内存区进行操作，所以出现了I/O通道方式，它是对一组数据块进行干预。

要完成对一组数据块操作，只需要想I/O通道发送一条I/O指令，以给出的所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备，通道接收到命令之后，通知执行通道程序完成I/O任务。

通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现IO设备的控制。

通道程序：由一系列的通道指令构成