计算机操作系统笔记（6）

第六章 输入输出系统

6.1 I/O系统的功能、模型和接口

I/O系统的基本功能

1. 方便用户使用I/O设备：
   隐藏物理设备的细节（用户使用逻辑设备名）
   使用与设备无关的软件
2. 提高CPU和I/O设备的利用率
   提高CPU和I/O的利用率（CPU与I/O并行）
   对设备进行控制（CPU对I/O的干预）
3. 方便用户共享设备
   确保设备正确共享（共享/独占）
   错误处理（错误底层处理）

I/O系统的层次结构、模型和接口

• 层次结构：
   （1）用户层软件
   （2）设备独立性软件
   （3）设备驱动程序
   （4）中断处理程序
  
• 模型：
   （1）I/O系统的上、下接口
   （2）I/O系统的分层
• 接口：
   （1）块设备接口
   （2）流设备接口
   （3）网络通信接口
  

6.2I/O设备和设备控制器

I/O设备

类型：

• 按使用特性分：
   （1）存储设备（磁盘）
   （2）I/O设备（键盘）
• 按速度分：
   （1）低速（键盘）
   （2）中速（打印机）
   （3）高速（磁盘）

设备与控制器之间的接口：

1. 数据信号：双向、有缓存
2. 控制信号：控制器发给设备，要求其完成相关操作
3. 状态信号：设备发给控制器
   

设备控制器

基本功能：接收CPU命令，控制I/O设备工作，解放CPU
*

1. 接收和识别命令
2. 数据交换：数据寄存器
3. 设备状态的了解和报告：状态寄存器
4. 地址识别
5. *数据缓冲
6. *差错控制

组成：

1. 接口：与CPU、与设备的接口
2. 各类寄存器：数据、状态
3. 信号线：数据线、地址线、控制线
4. I/O逻辑：完成与CPU、设备的通信
   

内存映像

数据从内存到控制器的两种方法：

1. 利用特定的I/0指令
   访问内存和访问控制器需要两种不同的指令
2. 内存映像
   统一内存和控制器的访问方法

I/O通道

概念：一种特殊的执行I/O指令的处理机，与CPU共享内存
引入目的：解脱CPU对I/O的组织、管理
功能过程：CPU发I/O指令给通道，通道建立并执行通道程序完成I/O任务

三种类型通道：

1. 字节多路通道
   各子通道以时间片轮转方式共享主通道（适用低、中速设备）
   
2. 数组选择通道
   仅有主通道，某时间由某设备独占（适用高速设备）
   缺点：信道利用率低
3. 数组多路通道
   类似字节多路通道，不过分配是按需分配（结合前两种的优点）

瓶颈问题：

1. 有瓶颈的单通路I/O系统：
   瓶颈原因：通道不足
   
2. 解决瓶颈的多通路I/O系统：
   

总线系统

微机I/O系统：

• CPU-设备控制器-设备
• 设备控制器与设备是一对多的关系
• 缺点：有总线瓶颈、CPU瓶颈
  

主机I/O系统

• 计算机-I/O通道-I/O控制器-设备
  I/O通道相当于对总线的扩展，且具有一定的智能性
  

6.3中断机构和中断处理程序

中断机制

两种中断：

1. 中断（外中断）：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应
2. 陷入（内中断）：CPU内部事件所引起的中断

中断处理流程：

6.4设备驱动程序

设备驱动程序概述

设备驱动程序功能：让设备开始运转
*

1. 将I/O进程的命令的抽象要求转具体要求
2. 传递参数，设置设备的工作方式
3. 启动I/O设备
4. 调用相应的中断处理程序
5. 构成通道程序

设备驱动程序特点：

1. 是请求I/O进程和设备控制器之间的通信和转换程序
2. 与设备控制器以及I/O设备的硬件特性紧密相关
3. 与I/O设备采用的I/O控制方式密切相关
4. 用汇编语言编写

*设备处理方式：

1. 不专设进程
2. 一设备管一进程
3. 一进程管多设备

*设备驱动程序的处理过程：

1. 抽象要求转具体要求
2. 检查I/O请求的合法性
3. 读出和检车设备的状态
4. 传送必要的参数
5. 工作方式的设置
6. 启动I/O设备

对I/O设备的控制方式

四个阶段：程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制
趋势：减少CPU对I/O操作的干预程度，提高并行度

程序I/O方式：

• 过程：CPU不断查询I/O状态
• 特点：CPU资源浪费极大
• CPU干预：CPU完全干预I/O

中断I/O方式：

• 过程：
  向I/O发命令——返回——执行其它任务
  I/O中断产生——CPU转相应中断处理程序
• CPU干预：CPU以字节为单位干预

DMA方式：

• 过程：由DMA控制器直接控制总线传递数据块。（DMA控制器完成从I/O到内存的传输）
• 特点：主要用在块设备中
• CPU干预：CPU以块为单位干预I/O（仅在传送一个或多个块的开始和结束时才干预）
• DMA控制器的组成：一组寄存器+控制逻辑
  
• DMA的工作过程：
  

通道方式：

• 过程：CPU给出通道程序首址和要访问的I/O设备，通道程序完成一组块操作
• CPU干预：COU以一组数据块为单位干预I/O

6.5与设备无关的I/O软件

基本概念

别称：设备独立性软件
功能/含义：执行所有设备的共有操作、向用户层软件提供统一接口
相关概念：物理设备名、逻辑设备名、逻辑设备表
逻辑设备表：

设备分配

内容：

• 3种分配：包括对设备、设备控制器、通道的分配
• 4张表：数据结构包括了系统表、设备表、控制器表、通道表
• *大致分配流程：
  根据I/O请求，在系统设备表查找设备，
  根据对应的设备表状态，得知其是否忙，不忙则分配设备给I/O进程，
  分配后，根据对应的控制器表状态，得知其是否忙，不忙则分配控制器给进程，
  最后根据通道的状态，得知其是否忙，不忙则分配通道给进程，然后即可启动该I/O设备进行数据传送

设备独立性的实现

概念：设备独立性的实现，即是逻辑设备名到物理设备名映射的实现
查找流程：逻辑设备表->系统表->设备表->控制表->通道表（->执行通道程序完成传输）

设备独立性的优点：

1. 设备分配更灵活
2. 易于实现I/O重定向

独占设备的分配程序

基本分配程序：分配设备->分配控制器->分配通道
分配程序的改进：增加设备的独立性，考虑多通路情况

6.6用户层的I/O软件

SPOOLing技术

SPOOLing技术即假脱机技术
作用：缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾，使其具有并发性

组成：

工作原理：

• 包括四大部分：输入/出井、输入/出缓冲区、输入/出进程、井管理程序
  

共享打印机：

• 假脱机打印系统的构成：磁盘缓冲区、打印缓冲区、假脱机管理进程和假脱机打印进程

SPOOLing系统的特点：

1. 提高了I/O的速度
2. 将独占设备改造为共享设备
3. 实现了虚拟设备功能

6.7缓冲处理

缓冲管理：组织管理、分配、释放buffer

缓冲的引入

引入原因：

1. 缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾
2. 减少对CPU的中断频率
3. 提高CPU和I/O并行性

单、双缓冲区

单缓冲区：

• 并行：T与C并行
• 处理时间：每块处理时间为Max(C,T)+M
• 阻塞：
  I/O输入到缓冲区时，进程挂起
  进程输出到缓冲区时，若缓冲区数据未被I/O提取完毕会发生阻塞
  

双缓冲区：

• 并行：T与M并行、T与C并行
• 处理时间：每块处理时间为Max(C,T)
• 特点：
  *效率提高，更平滑传输峰值
  收发可双向同时传送
  

循环多缓冲区：

• 使用：
  nextg：指示下一个应取数据的buf
  nexti：知识下一个空buf
  Getbuf：取nextg缓冲区使用，然后置nextg为空；取nexti缓冲区使用，然后置nexti为满
  Releasebuf：C满则改为G；C空则改为R
• 同步问题：
  nexti追上nextg：输入速度>输出速度，阻塞输入进程
  nextg追上nexti：输出速度>输入速度，阻塞输出进程
  

共用缓冲池：

• 缓冲池：系统提供的公用缓冲，由OS统一管理
• 组成：
  三个队列：
   空缓冲队列emq
   输入队列inq
   输出队列outq
  4个工作缓冲区：
   收容输入数据hin
   提取输入数据sin
   收容输出数据hout
   提取输出数据sout
• 工作方式：1收容输入、2提取输入、3收容输出、4提取输出（可不按序同时发生）
  
• Getbuf和Putbuf过程
  RS：缓冲池资源信号量
  MS：缓冲池的互斥信号量
  

6.8磁盘存储器的性能

磁盘性能简述

数据的组织和格式：

• 盘面、扇区、磁道、磁道间隔、扇区间隔
• 格式化：每个扇区包括两个字段：标识符字段、数据字段
  

磁盘的类型：

• 固定头磁盘：每条磁道都有磁头，磁盘I/O速度较高、主用于大容量磁盘上
• 移动头磁盘：每个盘面仅有一个磁头，磁盘I/O速度较低，主用于中小型磁盘设备

磁盘访问时间：

• 寻道时间$T_{s}$：把磁头移动到指定磁道上经历的时间（$T_{s}$）
• 旋转延迟时间$T_{\tau}$：扇区移动到磁头下面所经历的时间
• 传输时间$T_{t}$：把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间（$T_{t}=\frac{b}{rN}$）
  （磁盘访问时间$T_{a}=T_{s}+\frac{1}{2r}+\frac{b}{rN}$）

磁盘调度

先来先服务FCFS：根据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：每次选择与当前磁头距离最近的磁道进行调度

扫描算法SCAN（电梯调度算法）：在最短寻道时间优先算法基础上，更优先考虑当前磁头的移动方向
循环扫描算法CSCAN：在扫描算法的基础上，规定了磁头单向移动（比如由里到外后，再直接回到里）

N步SCAN算法（NStepSCAN算法）：将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，磁盘调度将按FCFS算法一次处理这些子队列（避免中途插队，避免粘着现象）
FSCAN算法：是NStepSCAN算法的简化，只将磁盘请求队列分成两个子队列（一个用于处理一个存放新出现的请求）