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1第13章I/O系統(tǒng)主要內(nèi)容概述I/O硬件I/O應(yīng)用接口I/O內(nèi)核子系統(tǒng)把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作流性能213.1概述計(jì)算機(jī)的兩個(gè)主要任務(wù)：I/O操作、計(jì)算處理操作系統(tǒng)在I/O方面的作用：管理和控制I/O操作和I/O設(shè)備本章涉及問(wèn)題描述I/O硬件的基本特點(diǎn)討論操作系統(tǒng)所提供的I/O服務(wù)及其為應(yīng)用程序所提供的接口解釋操作系統(tǒng)如何縮小硬件接口與應(yīng)用接口之間的差距討論UNIXSystemV的流機(jī)制討論I/O性能問(wèn)題及用來(lái)提高I/O性能的操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則3

I/O設(shè)備在其功能與速度方面存在很大差異，需要操作系統(tǒng)采用多種方法來(lái)控制I/O設(shè)備技術(shù)呈現(xiàn)兩個(gè)相矛盾的趨勢(shì)硬件與軟件接口日益增長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化，有助于人們將設(shè)備集成到現(xiàn)有計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)I/O設(shè)備日益增長(zhǎng)的多樣性，有的新設(shè)備與舊設(shè)備區(qū)別很大以至于很難集成到計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：為I/O子系統(tǒng)提供統(tǒng)一接口413.2I/O硬件計(jì)算機(jī)設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備（磁盤(pán)、磁帶）傳輸設(shè)備（網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器）人機(jī)交互設(shè)備（屏幕、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)）I/O設(shè)備：用來(lái)進(jìn)行輸入、輸出的設(shè)備統(tǒng)稱(chēng)I/O設(shè)備I/O硬件涉及的主要概念總線(xiàn)控制器I/O端口及其寄存器主機(jī)與設(shè)備控制器之間的握手關(guān)系通過(guò)輪尋檢測(cè)或中斷的握手執(zhí)行將大量傳輸下交給DMA控制器51、總線(xiàn)（bus）總線(xiàn)：一個(gè)或多個(gè)設(shè)備使用一組共同的線(xiàn)的連接方式，是一組線(xiàn)和一組嚴(yán)格定義的可以描述在線(xiàn)上傳輸信息的協(xié)議PC總線(xiàn)結(jié)構(gòu)（圖13.1P334）PCI總線(xiàn)：連接處理機(jī)－內(nèi)存子系統(tǒng)與快速設(shè)備擴(kuò)展總線(xiàn)：連接串行、并行端口和相對(duì)較慢的設(shè)備SCSI總線(xiàn)：連接SCSI控制器與存儲(chǔ)設(shè)備62、控制器（controller）控制器是用于操作端口、總線(xiàn)或設(shè)備的一組電子器件串口控制器（簡(jiǎn)單）SCSI總線(xiàn)控制器（復(fù)雜）磁盤(pán)控制器（內(nèi)置）處理器如何向控制器發(fā)送命令和數(shù)據(jù)以完成I/O傳輸？控制器有一個(gè)或多個(gè)用于數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的寄存器，處理器通過(guò)讀寫(xiě)這些寄存器的位組合來(lái)與控制器通信I/O指令：觸發(fā)總線(xiàn)線(xiàn)路來(lái)選擇合適設(shè)備并將位信息傳入或傳出設(shè)備寄存器內(nèi)存映射：設(shè)備控制器映射到處理器的地址空間73、I/O端口及其寄存器端口：設(shè)備與計(jì)算機(jī)通信的連接點(diǎn)I/O端口通常有四種寄存器狀態(tài)寄存器：包含一些主機(jī)可讀取的信息控制寄存器：被主機(jī)用來(lái)向設(shè)備發(fā)送命令或改變?cè)O(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)輸入寄存器：被主機(jī)讀取數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)輸出寄存器：被主機(jī)寫(xiě)入數(shù)據(jù)以發(fā)送數(shù)據(jù)84、主機(jī)與設(shè)備控制器之間的握手關(guān)系（例）前提：用兩個(gè)位協(xié)調(diào)控制器與主機(jī)之間的生產(chǎn)者與消費(fèi)者的關(guān)系，控制器通過(guò)狀態(tài)寄存器的忙位（busybit）來(lái)顯示其狀態(tài)；主機(jī)通過(guò)命令寄存器中命令就緒位來(lái)表示其意愿當(dāng)主機(jī)需要通過(guò)端口來(lái)寫(xiě)出數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)與控制器之間握手協(xié)調(diào)如下：主機(jī)不斷的讀取忙位，直到該位被清除主機(jī)設(shè)置命令寄存器中的寫(xiě)位并向數(shù)據(jù)輸出寄存器中寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)主機(jī)設(shè)置命令就緒位當(dāng)控制器注意到命令就緒位已被設(shè)置，則設(shè)置忙位控制器讀取命令寄存器，并看到寫(xiě)入命令。它從數(shù)據(jù)輸出寄存器中讀取一字節(jié)，并向設(shè)備執(zhí)行I/O操作控制器清除命令就緒位，清除狀態(tài)寄存器的故障位以表示設(shè)備I/O成功，清除忙位以表示完成95、輪詢(xún)方式的握手執(zhí)行輪詢(xún)（忙等待）：在握手關(guān)系中，不斷的讀取狀態(tài)寄存器直到忙位被清除的方式，稱(chēng)為～通常，輪詢(xún)?cè)O(shè)備使用3種CPU指令讀取設(shè)備寄存器邏輯AND以提取狀態(tài)位根據(jù)狀態(tài)位是否為0進(jìn)行跳轉(zhuǎn)106、中斷方式的握手執(zhí)行由來(lái)：若讓設(shè)備準(zhǔn)備好時(shí)再通知處理器而不是由CPU輪詢(xún)外設(shè)I/O是否完成，會(huì)提高效率中斷：使外設(shè)通知CPU的硬件機(jī)制基本中斷機(jī)制工作過(guò)程（下頁(yè)圖）設(shè)備控制器通過(guò)中斷請(qǐng)求線(xiàn)發(fā)送信號(hào)而引起中斷CPU捕獲中斷并派遣到中斷處理程序中斷處理程序通過(guò)處理設(shè)備來(lái)清除中斷11設(shè)備驅(qū)動(dòng)器初始化I/OCPU接收到中斷，將控制權(quán)交給中斷處理程序中斷處理程序處理數(shù)據(jù)，從中斷返回CPU繼續(xù)處理被中斷的任務(wù)輸入準(zhǔn)備就緒，輸出完畢或出錯(cuò)，產(chǎn)生中斷信號(hào)初始化I/OCPU1I/O控制器CPU執(zhí)行檢查指令之間的中斷352674采用中斷驅(qū)動(dòng)的I/O循環(huán)周期12關(guān)于中斷的其他問(wèn)題復(fù)雜的中斷處理特性（現(xiàn)代操作系統(tǒng)）在做關(guān)鍵處理時(shí)，能夠延遲中斷處理更為有效的將中斷派遣到合適的中斷處理程序區(qū)分中斷優(yōu)先級(jí)，根據(jù)緊迫程度來(lái)響應(yīng)中斷類(lèi)型非屏蔽中斷：主要用來(lái)處理如不可恢復(fù)內(nèi)存錯(cuò)誤等事件可屏蔽中斷：可以由CPU在執(zhí)行關(guān)鍵的不可中斷的指令序列前加以屏蔽中斷向量（interruptvector）：包含了特殊中斷處理程序的內(nèi)存地址中斷優(yōu)先級(jí)（interruptpriority）：使CPU延遲處理低優(yōu)先級(jí)中斷而不屏蔽所有中斷，也可以讓高優(yōu)先級(jí)中斷搶占低優(yōu)先級(jí)中斷處理137、DMA控制器的握手執(zhí)行（直接內(nèi)存訪(fǎng)問(wèn)）DMA控制器（direct-memoryaccess）：直接操作內(nèi)存總線(xiàn)，無(wú)需主CPU的幫助即可以將地址放到總線(xiàn)以開(kāi)始傳輸DMA控制器與設(shè)備控制器之間的握手當(dāng)有數(shù)據(jù)需要傳輸時(shí)，設(shè)備控制器通過(guò)DMA-request線(xiàn)發(fā)送信號(hào)上述信號(hào)導(dǎo)致DMA控制器抓住內(nèi)存總線(xiàn)，并在內(nèi)存地址總線(xiàn)上放上所需地址，并通過(guò)DMA-acknowledge線(xiàn)發(fā)送信號(hào)當(dāng)設(shè)備控制器收到DMA-acknowledge信號(hào)時(shí)，就可以向內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)，并清除DMA-request請(qǐng)求信號(hào)當(dāng)整個(gè)傳輸完成，DMA控制器中斷CPU優(yōu)點(diǎn)：將大量傳輸工作下交給DMA控制器，能夠減輕CPU負(fù)擔(dān)，改善系統(tǒng)性能14思考在設(shè)備和內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)的方式中，DMA方式與中斷方式的區(qū)別是什么？DMA方式：一個(gè)數(shù)據(jù)塊傳送完后發(fā)中斷，DMA控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送中斷方式：數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿(mǎn)時(shí)發(fā)中斷，CPU負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳送1513.3I/O應(yīng)用接口問(wèn)題：從詳細(xì)而不同的I/O設(shè)備中抽象出一些通用類(lèi)型，每個(gè)通用類(lèi)型都可以通過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（即接口）來(lái)訪(fǎng)問(wèn)設(shè)備的差異字符流或塊順序或隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)同步或異步共享或?qū)Ｓ貌僮魉俣茸x寫(xiě)、只讀、只寫(xiě)16一些基本概念塊設(shè)備接口訪(fǎng)問(wèn)：內(nèi)存映射文件訪(fǎng)問(wèn)（通過(guò)內(nèi)存中的字節(jié)數(shù)組來(lái)訪(fǎng)問(wèn)磁盤(pán)存儲(chǔ)）字符流接口訪(fǎng)問(wèn)：鍵盤(pán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：網(wǎng)絡(luò)套接字接口時(shí)鐘與定時(shí)器通常具有如下基本函數(shù)獲取當(dāng)前時(shí)間獲取已經(jīng)逝去的時(shí)間設(shè)置定時(shí)器以在T時(shí)觸發(fā)操作X阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出阻塞系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行就被終止非阻塞I/O：應(yīng)用程序發(fā)出非阻塞系統(tǒng)調(diào)用，執(zhí)行不會(huì)被終止異步系統(tǒng)調(diào)用：不必等待I/O完成就可以立即返回，應(yīng)用程序繼續(xù)執(zhí)行其代碼1713.4I/O內(nèi)核子系統(tǒng)I/O調(diào)度定義：確定一個(gè)好的順序來(lái)執(zhí)行一組I/O請(qǐng)求優(yōu)點(diǎn)能夠改善系統(tǒng)整體性能能在進(jìn)程之間公平的共享設(shè)備訪(fǎng)問(wèn)能減少I(mǎi)/O完成所需要的平均等待時(shí)間182、緩沖作用：用來(lái)保存在兩設(shè)備之間或在設(shè)備和應(yīng)用程序之間所傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域采用緩沖的理由處理數(shù)據(jù)流的生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的速度差異協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設(shè)備應(yīng)用程序I/O的拷貝語(yǔ)義拷貝語(yǔ)義：操作系統(tǒng)保證要寫(xiě)入磁盤(pán)的數(shù)據(jù)就是write系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時(shí)的版本，而無(wú)需考慮應(yīng)用程序緩沖區(qū)隨后發(fā)生的變化緩沖類(lèi)型單緩沖雙緩沖環(huán)形緩沖緩沖池193、高速緩存（cache）作用可以保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存高速緩存拷貝的訪(fǎng)問(wèn)比原始數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)更為高效緩沖與高速緩存的差別緩沖只保留數(shù)據(jù)僅有的一個(gè)現(xiàn)存拷貝高速緩存只是提供了一個(gè)駐留在其他地方的數(shù)據(jù)的一個(gè)高速拷貝204、假脫機(jī)（spool）與設(shè)備預(yù)留Spool：用來(lái)保存設(shè)備輸出的緩沖，這些設(shè)備（如打印機(jī)）不能接收交叉的數(shù)據(jù)流工作過(guò)程（以打印機(jī)為例）應(yīng)用程序的輸出先是假脫機(jī)到一個(gè)獨(dú)立的磁盤(pán)文件上當(dāng)應(yīng)用程序完成打印時(shí)，假脫機(jī)系統(tǒng)將對(duì)相應(yīng)的待送打印機(jī)的假脫機(jī)文件進(jìn)行排隊(duì)假脫機(jī)系統(tǒng)一次拷貝一個(gè)已排隊(duì)的假脫機(jī)文件到打印機(jī)上假脫機(jī)是一種操作系統(tǒng)可以用來(lái)協(xié)調(diào)并發(fā)輸出的方法215、錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤類(lèi)型短暫（網(wǎng)絡(luò)過(guò)載）：操作系統(tǒng)可以進(jìn)行彌補(bǔ)永久（磁盤(pán)控制器缺陷）：操作系統(tǒng)不可能從中恢復(fù)錯(cuò)誤處理方法I/O系統(tǒng)調(diào)用返回一位調(diào)用狀態(tài)信息，用以表示成功或失敗維護(hù)一個(gè)出錯(cuò)日志信息，供主機(jī)查詢(xún)（少用）22總結(jié)I/O子系統(tǒng)的功能文件和目錄的命名空間的管理文件和目錄的訪(fǎng)問(wèn)控制操作控制文件系統(tǒng)空間分配設(shè)備分配緩沖、高速緩存和假脫機(jī)I/O調(diào)度設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、錯(cuò)誤處理、失敗恢復(fù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的配置和初始化2313.5把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作已在buffer中?設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置寄存器，然后被阻塞直到中斷發(fā)生。數(shù)據(jù)傳給進(jìn)程,并喚醒它。完成

或出錯(cuò)接受中斷，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。2413.6流（stream）流：在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和用戶(hù)級(jí)進(jìn)程之間的全工連接流控制：隊(duì)列會(huì)緩沖消息而且如果沒(méi)有足夠緩沖空間就不會(huì)接收消息使用流的好處：流可以提供一個(gè)框架以便模塊化的遞增的編寫(xiě)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議2513.7性能I/O是影響系統(tǒng)性能的重要因素