一，I/O系统的基本功能及模型

1 主要功能：

1）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

2）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。

3）提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理

4）对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理

5)  确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等

6)  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。

 

1) 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。

2) 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：

①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。  

②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）。

③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。

二，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*占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。

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。

①基本功能

Ⅰ接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数） Ⅱ标识和报告设备的状态（状态寄存器） Ⅲ数据交换（数据寄存器） Ⅳ地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器） Ⅴ数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距） Ⅵ差错控制

②组成

Ⅰ设备控制器与处理机的接口 Ⅱ设备控制器与设备的接口 ⅢI/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。

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

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。

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

三，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

四，设备驱动程序

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：

（1）接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；

（2）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。

（3）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。

4. 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。

中断处理程序的处理过程

 5.  I/O控制方式

1）程序I/O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。

程序I/O方式流程图

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。

中断控制方式流程图

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：

1）数据传输的基本单位是数据块；

2）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：

3）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。

DMA控制器的示意图

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：

1）数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。

2）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。

3）数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。

4）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

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 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。

五，与设备无关的I/O软件

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。

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：

1）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 2）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。

六，用户层的I/O软件

小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。

   ■库函数（与应用程序链接）

   ■假脱机技术（虚拟设备）

1)系统调用与库函数

不允许运行在用户态的应用进程，去直接调用运行在核心态（系统态）的OS过程。 应用进程在运行时，又必须取得OS所提供的服务。 于是： OS在用户层中引入了系统调用，应用程序可以通过它，间接调用OS中的I/O过程，对I/O设备进行操作。

2）设备分配中的虚拟技术 —— SPOOLing技术

 ■虚拟性是OS的四大特征之一。

 ■多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机；

假脱机技术

多道程序技术，专门利用程序模拟脱机I/O的外围机，完成设备I/O操作。

  ■称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术（Simultaneaus Periphernal Operating On—Line，或称为假脱机操作）

  ■一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟，多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。

SPOOLing系统的组成

主要有三大部分

（1）输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。

（2）输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。

（3）输入进程和输出进程。 用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能，把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上； 用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能，把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

SPOOLing系统的特点

（1）提高了I/O的速度。利用输入输出井模拟成脱机输入输出，缓和了CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾。

（2）将独占设备改造为共享设备。并没有为进程分配设备，而是为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。

（3）最终，实现了虚拟设备功能。多个进程可“同时”使用一*占设备。

七，缓冲区管理

一进程中“CPU计算速度”和“设备I/O速度”仍存在不匹配的矛盾。

解决：CPU进行当前计算时，设备进行后续数据的输入（——缓冲区）。

缓冲管理

 ■I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率；

 ■缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾，增加CPU和I/O设备的并行性，提高利用率。

 ■现代OS中，几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时，都用了缓冲区。

 ■引入缓冲区的主要原因： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 缓冲区数据成批传入内存，也可进一步减少对CPU的中断频率 最终目的：提高CPU和I/O设备的并行性。

 ■使用缓冲区的方式： 1）单缓冲、多缓冲 2）循环缓冲 3）缓冲池（Buffer Pool）（设备速度差距越大，缓冲区容量越大）

1）单缓冲与多缓冲

单缓冲（Single Buffer）

每当用户进程发出一I/O请求时，OS在主存中为之分配一个缓冲区。 CPU和外设轮流使用，一方处理完后等待对方处理。

双缓冲（Double Buffer）

 ■进一步加快输入和输出速度，提高设备利用率制，也称缓冲对换（Buffer Swapping）

 ■输入：数据送入第一缓冲区，装满后转向第二缓冲区。

 ■读出：OS从第一缓冲区中移出数据，送入用户进程，再由CPU对数据进行计算。

多缓冲引入

I/O与CPU速度基本相匹配，采用双缓冲能获得较好的效果，基本上能并行操作。 但，若两者的速度相差甚远，双缓冲的效果仍不够理想；

为进一步协调速度差，可增加缓冲区数量，同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。     

引入多缓冲机制。组织形式：循环缓冲、缓冲池。

2）循环缓冲(circular buffer)

设置多块缓冲区 用循环结构组织，只供两个相关进程使用 顺一个方向放入或取出

①循环缓冲的组成

■多个缓冲区。大小相同，三种类型：

  ○预备装输入数据的空缓冲区R

  ○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。

 ○指示正在使用的缓冲区C的指针Current

 ○指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg

 ○指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti

②循环缓冲区的使用

计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。 主要就是利用指针，操作上述不同类型缓冲区

一个时段只能用于输入或输出，不能同时双向通信。

③进程同步

两个进程的控制：输入进程和计算进程并行执行，如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动，这样就可能出现两种情况： 1）Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度，缓冲区满，只能阻塞输入进程等计算进程取，此情况称为系统受计算限制。

2）Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度，缓冲区空，只能阻塞计算进程等输入进程放，此情况称为系统受I/O限制。

3）缓冲池（Buffer Pool）

循环缓冲的问题

■不能同时双向通讯

■利用率不高。缓冲区是专用缓冲。（每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区），使用有剩余时也不给其他进程使用，消耗大量内存空间。

■系统并发程序很多时，许多这样的循环缓冲需要管理，比较复杂。

为提高缓冲区的利用率，目前广泛流行缓冲池，在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。 池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用（如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池） 组织形式：队列及队列指针

①缓冲池的组成

对于既可输入又可输出的公用缓冲池，至少应含有下列三种类型的缓冲区：

  ■空缓冲区；

 ■装满输入数据的缓冲区；

 ■装满输出数据的缓冲区；     

为方便管理，将上述类型相同的缓冲区连成队列

 ■空缓冲区队列（所有进程都可用）

 ■输入队列（n个进程有各自的队列）

 ■输出队列（n个进程有各自的队列）

②缓冲区的工作方式

四种工作方式：

1）收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)

2）提取输入： Getbuf(inq),sin；从输入缓冲队列中取出一数据区的内容；Putbuf(emq,sin)

3）收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)

4）提取输出： Getbuf(outq),sout；从输出缓冲队列中取一数据区的内容；Putbuf(emq,sout)

八，磁盘存储器的性能和调度

1）磁盘性能简述

首先与格式有关 数据的组织和格式

  ■盘片、面、磁道、扇区

  ■为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。

与速度有关

 ■磁盘类型    固定磁头（每道一磁头）  移动磁头（每盘一磁头）

■访问时间的计算 寻道时间（到磁道） 旋转延迟（到扇区） 传输时间

2）磁盘调度方法

对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度，使对磁盘的平均访问时间最小。

目标：使平均寻道时间最少。

算法：

①FCFS

多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。

②最短寻道时间优先SSTF

选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求

使每次磁头移动时间最少。 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。

③扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）

规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。 后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。

如当前为100，后续要求55，86，95，180，165，105

   先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。

   再由外向内：95，86，55

◼循环扫描CSCAN

SCAN的错过问题： 容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。

修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动” 由里向外后，再由里向外。

◼N-Step-SCAN

将磁盘请求队列分成长为N 的子队列 按FCFS选择子队列。队列内又按SCAN算法。

3 3 5 2 |3 3 3 2| 3 3 2 3| 3 4 4 5| 2 3 ….2 3

处理子队列过程中产生的新I/O再依次排队列。 N=1时，就是FCFS，N很大时就是SCAN。

◼F-SCAN N-Step-SCAN的简化：

请求队列只分为两个子队列 当前一个队列，按SCAN算法执行； 扫描期间新生成的组成一个队列，等待被扫描。