第五章 设备管理 IO组成 IO软件
输入输出系统
——I/O系统
I/O系统的组成
包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
关于设备管理
管理对象：
I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
基本任务：
完成用户提出的I/O请求，
提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。
为更高层进程方便使用设备提供手段
第6章 设备管理
I/O系统的功能、模型和接口
I/O设备和设备控制器
中断机构和中断处理程序
设备驱动程序
与设备无关的I/O软件
用户层的I/O软件
缓冲区管理
磁盘存储器的性能和调度
知识点
I/O系统的组成
I/O系统的软件层次
中断处理过程
I/O控制方式
缓冲管理、设备分配、设备处理
磁盘调度
1.I/O系统的功能、模型和接口
1)主要功能：
隐藏物理设备细节，方便用户
用户使用抽象的I/O命令即可
实现设备无关性，方便用户
用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
错误处理
2)I/O/系统的层次结构和模型
层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。
I/O软件的分层
①用户层软件
实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。
②设备独立软件
用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
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指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
④中断处理程序
用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。
I/O软件系统的层次
中断处理程序
处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
设备驱动程序
处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序
功能：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其中的命令和参数寄存器中
设备独立性软件
包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件
I/O系统接口
在I/O系统与高层接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。主要包括：
块设备接口
流设备接口
网络通信接口
块设备接口
块设备
数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
特点
隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。
流设备接口
字符设备：
数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。
get和put操作：
由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
in-control指令：
因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能）。
网络通信接口
通过某种方式，把计算机连接到网络上。
操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。
I/O设备和设备控制器
I/O系统的组成
包括：
需要用于输入、输出和存储信息的设备；
需要相应的设备控制器；
控制器与CPU连接的高速总线；
有的大中型计算机系统，配置I/O通道；
1）I/O设备的类型
I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：
按传输速率分类：
低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）
使用：存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类：
块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
按设备的共享属性分类：
独占：打印机
共享：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
虚拟：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。
I/O设备中的接口
与控制器的接口有三种类型的信号
数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
状态信号线
2）设备控制器
设备并不直接与CPU通信
计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
常作成接口卡插入计算机
可编址，不同类
控制一个设备时只有一个地址，若连接多个设备则含有多个设备地址
管理的复杂性因不同设备而异，分为字符设备控制器、块设备控制器。
①基本功能
接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
标识和报告设备的状态（状态寄存器）
数据交换（数据寄存器）
地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
差错控制
②组成
设备控制器与处理机的接口
设备控制器与设备的接口
I/O逻辑
I/O逻辑
通过一组控制线与处理机交互
CPU要启动一个设备时，
将启动命令发送给控制器；
同时通过地址线把地址发送给控制器
控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。
驱动程序把抽象的I/O命令转换成一系列具体的命令、参数等数据；如何将上述数据装入设备控制器的相应寄存器？从而触发I/O逻辑运作，实施对设备的控制。
①利用特定的I/O指令
早期计算机中：每个控制寄存器分配一个I/O端口，用8或16位整数标记；设置一些特定I/O指令。
CPU寄存器 —> 控制器寄存器
io-store cpu-reg，dev-no，dev-reg
CPU寄存器 —>内存
store cpu-reg，k
②内存映像I/O
统一了对内存和对控制器的访问的方法，简化了I/O的编程。
编址不区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都采用k。
当k值处于0—n-1范围时，被认为是内存地址
若k大于等于n时，被认为是某个控制器的寄存器地址。
③处理机与设备控制器间
实现CPU与设备控制器之间的通信。
共有三类信号线：
数据线：数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器；第二类是控制/状态寄存器。
地址线
控制线
微机I/O系统中的总线结构
如图所示，计算机系统中的各部件，如CPU、存储器以及各种I/O设备之间的联系，都是通过总线来实现的。
总线的性能用总线的“时钟频率”、“带宽”和相应的总线“传输速率”等指标来衡量。
3）I/O通道
①I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预
（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）
但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。
在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
设置通道后
CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。
主要目的：
建立更独立的I/O操作，解放CPU。
数据传送的独立
I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机：
指令类型单一，只用于I/O操作；
通道没有内存，它与CPU共享内存
②通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：
字节多路通道
数组选择通道
数组多路通道
③“瓶颈”问题
由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。如下例所示：
字节多路通道
一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器
多个设备，通过非分配型子通道以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据
主通道扫描子通道速率足够快，子通道上的设备速率又不太高时，一般不丢失信息。
适用于并行、低速设备
数组选择通道
针对高速设备：分配型子通道
设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。
利用率低。
数组多路通道
结合上述两种方式。
含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。
解决“瓶颈”问题最有效的办法便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，如下图所示：
3.中断机构和中断处理程序
中断在操作系统中有特殊而重要的地位，没有它就不可能实现多道程序。
中断是I/O系统最低的一层，也是设备管理的基础。
1.中断简介
⑴中断和陷入
中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
中断和陷入的主要区别：是信号的来源。
⑵中断向量表
中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。
⑶对多中断源的处理方式
①屏蔽（禁止）中断：
所有中断都将按顺序依次处理。
当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。
优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
②嵌套中断：
中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。
当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；
高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。
2.中断处理程序
主要工作
①进行进程上下文的切换
②对处理中断信号源进行测试
③读取设备状态
④修改进程状态
中断处理流程
测定是否有未响应的中断信号
保护被中断进程的CPU环境
转入相应的设备处理程序
中断处理
恢复CPU的现场
设备驱动程序——最了解设备控制器的人、
设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：
接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。
1.驱动程序的功能(
1)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；
(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。
2.设备驱动程序的特点
(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。
3.设备处理方式
具体分类
(1)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。这种方式比较适合于较大的系统；
(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；
(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。
- 驱动程序处理过程
I/O设备与控制器间的通信转换程序
了解抽象命令，了解控制器内部的寄存器结构
与硬件密切相关，每类设备配备一种驱动程序
功能：接受解释指令（有通道的系统，自动通道程序）、相关判断、发送设备命令、响应中断
特点，控制方式不同程序不同，部分固化进硬件，代码可重入。
- I/O控制方式
程序I/O方式
中断驱动I/O方式
直接存储器访问DMA（字节—块）
I/O通道控制方式（组织传送的独立）
宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来
1）程序I/O方式
cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式
向控制器发送一条I/O指令；启动输入设备输入数据；把状态寄存器busy=1。
然后不断测试标志。为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测试；直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中。
CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。
2）中断驱动I/O方式
CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
然后立即返回继续执行任务。
设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
这时CPU与I/O设备并行操作。
I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。
但cpu真的不需要干预么？
中断方式比程序I/O方式更有效
但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。
CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。
改进：
CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断；
多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入
3）直接存储器访问DMA 方式
①该方式的特点是：
数据传输的基本单位是数据块；
所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。
CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。
②DMA控制器的组成
DMA控制器由三部分组成：
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。
如下页图。
DMA控制器中的寄存器
为实现主机与控制器之间块数据的直接交换，必须设置如下四类寄存器：
数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。
③DMA工作过程
CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
该命令被送到命令寄存器CR中。
同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。
DMA工作方式流程图
4）I/O通道控制方式
DMA适用于读一个连续的数据块；
如一次读多个数据块到内存不同区域，须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。
再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。
- CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，提高整系统资源利用率。
通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作“通道”。
通道程序
通道 通过执行通道程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
通道程序由一系列通道指令构成。
CPU指令设备驱动程序解读通道程序通道
通道指令一般包含下列信息：
操作码。规定指令所执行的操作。
内存地址。
计数。表示本指令所要操作的字节数。
通道程序结束位。用以表示程序是否结束。
记录结束标志。表示该指令是否与下条指令有关
设备独立性的基本含义：
指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。
为了实现设备独立性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。
设备独立性（无关性）
用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；
好处：
设备分配时的灵活性
3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机
易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。 程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。
逻辑设备名到物理设备名的映射
逻辑设备表LUT（Logical Unit Table）
LUT的设置问题
整个系统设置一张LUT（设备重名问题）
为每个用户设置一张LUT，记入各自PCB
设备分配
多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。
1）数据结构
2）设备分配需考虑的因素
3）设备的分配过程
1）设备分配中的数据结构
记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：
设备控制表
控制器控制表
通道控制表
系统设备（总）表
①设备控制表（DCT）
统为每一设备都配置一张
记录本设备的情况。
②控制器控制表（COCT）
系统为每一控制器都配置一张
记录本控制器的情况。
③通道控制表CHCT
④系统设备表（SDT）
2）设备分配需考虑的因素
设备固有属性：独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
设备分配算法（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种：
FCFS
优先级高者优先
设备分配的安全性：进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。
设备独立性
用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。
3）独占设备的分配过程
基本分配步骤（一个有通道的例子）：
分配设备：
根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
分配控制器
通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
分配通道
COCT找到CHCT
判断状态，…
当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输
设备分配程序的改进细节
增加设备的独立性
进程使用逻辑设备名提出I/O请求。
系统从SDT中依次找下去，直到找到一个该类设备中空闲可用的进行分配。
考虑多通路情况
控制器、通道也是反复查找，直到找到一条通路。