操作系統(tǒng)的設(shè)備管理1目標(biāo)和功能I/O管理是操作系統(tǒng)的主要功能之一，負(fù)責(zé)管理所有I/O設(shè)備。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中存在著大量的I/O設(shè)備，其性能和應(yīng)用特點(diǎn)可能完全不同，所以要建立一個(gè)通用的、一致的設(shè)備訪問接口，使用戶和應(yīng)用程序開發(fā)人員能夠方便地使用I/O設(shè)備，而無(wú)須關(guān)心每種設(shè)備各自的特性。I/O管理是管理I/O設(shè)備，控制I/O操作26.1I/O硬件組成6.2I/O軟件的組成6.3設(shè)備分配6.4磁盤管理36.1I/O硬件組成6.1.1I/O設(shè)備按信息交換的單位分類：塊設(shè)備：把信息存儲(chǔ)在固定大小的塊中，每個(gè)塊有自己的地址，可獨(dú)立地讀寫。通常塊的大小為512B～32KB。如磁盤、磁帶、光盤和電子盤。字符設(shè)備：以字符為單位發(fā)送和接收字符流。是不可尋址的。鍵盤、鼠標(biāo)、掃描器、打印機(jī)、繪圖儀、網(wǎng)絡(luò)接口等。時(shí)鐘既不是塊可尋址的，也不產(chǎn)生或接收字符流，只是按預(yù)先規(guī)定好的時(shí)間間隔產(chǎn)生中斷。4I/O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成。機(jī)械部分是設(shè)備本身。電子部分叫做設(shè)備控制器。設(shè)備控制器處于CPU和I/O設(shè)備之間，接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，控制I/O設(shè)備工作。很多控制器可以連接兩個(gè)、四個(gè)，甚至八個(gè)相同的設(shè)備。控制器與設(shè)備之間的接口是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。6.1.2設(shè)備控制器5接收OS的命令，控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)指定的功能。每個(gè)控制器有幾個(gè)寄存器，用來(lái)與CPU通信，即存放設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)?？刂萍拇嫫鳎罕恢鳈C(jī)用來(lái)向設(shè)備發(fā)送命令。狀態(tài)寄存器：包含主機(jī)可讀取的狀態(tài)信息。數(shù)據(jù)緩沖寄存器每個(gè)寄存器被分配一個(gè)端口號(hào)。處理機(jī)通過(guò)I/O端口地址找到對(duì)應(yīng)的I/O部件和設(shè)備寄存器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)傳輸?？刂破鞯淖饔?控制器的作用除了幾個(gè)寄存器外，許多設(shè)備控制器還有一個(gè)操作系統(tǒng)可以讀寫的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。如在屏幕上顯示像素的常規(guī)方法是使用一個(gè)視頻RAM，該RAM基本上只是一個(gè)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。磁盤控制器：從磁盤驅(qū)動(dòng)器出來(lái)的是一連串的位流，控制器把串行的位流組裝為字節(jié)，存入控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，形成以字節(jié)為單位的塊。對(duì)塊驗(yàn)證后，復(fù)制到主存。7內(nèi)存映射I/O單獨(dú)的I/O和內(nèi)存空間

INR0,4 MOVR0,4

前者讀取I/O端口4的內(nèi)容并將其存入R0，后者讀取內(nèi)存字4的內(nèi)容并將其存入R0。內(nèi)存I/O端口兩個(gè)地址空間8內(nèi)存映射I/O內(nèi)存映射I/O：將所有設(shè)備控制器寄存器映射到內(nèi)存空間。每個(gè)控制器寄存器被分配唯一的一個(gè)內(nèi)存地址。通常分配給控制器寄存器的地址位于地址空間的頂端。優(yōu)點(diǎn)：對(duì)內(nèi)存的操作指令都可用于對(duì)I/O端口的操作，不需要專門的I/O指令。I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以完全用C語(yǔ)言編寫。如UNIX。內(nèi)存一個(gè)地址空間9內(nèi)存映射I/O--混合方案內(nèi)存映射I/O的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，控制器寄存器則具有單獨(dú)的I/O端口。Pentium處理器使用的就是這一體系結(jié)構(gòu)。內(nèi)存I/O端口兩個(gè)地址空間10計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)I/O設(shè)備的4種控制方式程序查詢方式（輪詢(polling)）程序中斷方式直接存儲(chǔ)器訪問(DMA)方式通道控制方式11程序查詢方式向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)從I/O控制器中讀入字節(jié)向存儲(chǔ)器中寫字節(jié)CPUI/OI/OCPU未就緒出錯(cuò)就緒I/OCPUCPU內(nèi)存?zhèn)魉屯瓿蓹z查狀態(tài)是，停止設(shè)備未完從外部設(shè)備讀取一塊數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器，每次讀幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。CPU忙等串行工作122.程序中斷方式CPU/設(shè)備并行工作向設(shè)備控制器發(fā)寫命令CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它程序?qū)⒖刂苽鬟f給中斷服務(wù)例程無(wú)重試或故障終止中斷服務(wù)例程檢查本次傳輸是否有錯(cuò)傳輸有錯(cuò)？中斷返回，繼續(xù)執(zhí)行被中斷的進(jìn)程CPU響應(yīng)中斷傳輸完成？無(wú)完CPU工作情況設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸或出錯(cuò)，產(chǎn)生中斷設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序啟動(dòng)設(shè)備工作I/O設(shè)備工作情況有13支持大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膲K設(shè)備，其控制器支持直接存儲(chǔ)器存取（DMA，DirectMemoryAccess）。通常，CPU控制地址總線，進(jìn)行與主存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)交換。允許DMA控制器接管地址總線的控制權(quán)，直接控制與主存的數(shù)據(jù)交換。3.直接存儲(chǔ)器訪問（DMA）14整塊數(shù)據(jù)的傳輸是在控制器的控制下完成的。僅在開始和結(jié)束時(shí)才需CPU干預(yù)。向磁盤O控制器發(fā)讀塊命令讀DMA控制器的狀態(tài)下條指令CPUDMACPU做其它事中斷DMACPUDMA方式15數(shù)據(jù)緩沖寄存器主存地址寄存器MAR傳送字節(jié)個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)器DC控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)總線地址總線DMA控制器主存CPU數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)區(qū)磁盤控制器獨(dú)立地進(jìn)行DMA傳送控制總線16DMA工作過(guò)程：設(shè)置MAR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用CPU工作周期傳送數(shù)據(jù)主存地址增1數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1DC=0?請(qǐng)求中斷NY每當(dāng)磁盤把一塊數(shù)據(jù)讀入控制器的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)時(shí)，檢驗(yàn)校驗(yàn)和。DMA控制器取代CPU，接管地址總線的控制權(quán)，直接控制與主存的數(shù)據(jù)交換。使CPU訪問總線時(shí)速度會(huì)變慢。17與DMA方式相比，通道所需的CPU干預(yù)更少，且可以做到一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備，進(jìn)一步減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。

通道是一種專用的I/O處理機(jī)。通道有自己的指令系統(tǒng)，若干條通道命令連接成通道程序。4.通道控制方式18CPU主存儲(chǔ)器磁盤控制器軟盤控制器磁帶控制器讀卡機(jī)磁盤控制器控制器控制器磁盤控制器打印機(jī)控制器終端數(shù)組多路通道選擇通道字節(jié)多路通道CPU、通道和I/O設(shè)備并行工作總線191.字節(jié)多路通道：以字節(jié)為單位傳輸信息，可以分時(shí)地執(zhí)行多個(gè)通道程序，一個(gè)通道程序?qū)?yīng)一臺(tái)設(shè)備。主要用來(lái)連接大量慢速設(shè)備。2.選擇通道：以成組方式工作，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，只允許一臺(tái)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。可用于連接高速設(shè)備，如固定頭磁盤等。3.數(shù)組多路通道：結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能夠分時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。先為一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，自動(dòng)轉(zhuǎn)接，再為另一臺(tái)設(shè)備執(zhí)行一條通道指令。可連接多臺(tái)活動(dòng)頭磁盤機(jī)。通道的三種類型20工作過(guò)程：CPU向I/O通道發(fā)出一條I/O指令，給出所要執(zhí)行的通道程序的首地址和要訪問的I/O設(shè)備。通道接到CPU發(fā)來(lái)的指令，通過(guò)執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。完成任務(wù)后，通道與設(shè)備一起發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，請(qǐng)求CPU處理。216.2I/O軟件的組成I/O軟件的基本思想：按分層構(gòu)建，較低層的軟件為較高層的軟件服務(wù)，使較高層軟件獨(dú)立于硬件，為用戶提供統(tǒng)一接口。22設(shè)備獨(dú)立性。用戶在編寫使用磁盤上文件的程序時(shí)，無(wú)需為不同的設(shè)備類型而修改程序，就可以使用。用戶程序中給出的是一個(gè)邏輯設(shè)備名，由OS實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備與物理設(shè)備的映射。設(shè)備的統(tǒng)一命名。與設(shè)備獨(dú)立性密切相關(guān)。一個(gè)設(shè)備的邏輯名字只應(yīng)是一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串或一個(gè)整數(shù)，如PRN，不依賴于具體的設(shè)備。6.2.1I/O軟件的目標(biāo)23出錯(cuò)處理。數(shù)據(jù)傳輸中的錯(cuò)誤應(yīng)盡可能地在接近硬件層上處理，可重試多次。僅當(dāng)?shù)蛯榆浖o(wú)能為力時(shí)，才將錯(cuò)誤上交高層軟件處理。緩沖技術(shù)。其目的就是設(shè)法使數(shù)據(jù)的到達(dá)率和離去率相匹配，以提高系統(tǒng)的吞吐量。設(shè)備的分配。涉及到共享設(shè)備和獨(dú)占設(shè)備的分配問題。246.2.2I/O軟件的功能中斷處理程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立于設(shè)備的軟件用戶空間的I/O軟件I/O軟件的分層：在I/O軟件中，大部分軟件是與設(shè)備無(wú)關(guān)的。251.中斷處理程序每個(gè)進(jìn)程在啟動(dòng)一個(gè)I/O操作后阻塞起來(lái)，I/O操作完成，控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷。CPU響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷處理程序。檢查設(shè)備狀態(tài)。若是正常完成，就喚醒等待該I/O的進(jìn)程。然后檢查是否還有I/O請(qǐng)求，若有，就啟動(dòng)下一個(gè)請(qǐng)求。若傳輸出錯(cuò)，再發(fā)啟動(dòng)傳輸命令，或向上層報(bào)告“設(shè)備錯(cuò)誤”的信息。26每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理一種類型設(shè)備。由一些與設(shè)備密切相關(guān)的代碼組成。提供一些與文件類似的API：open,close,read,write,control等是OS中唯一知道設(shè)備控制器的配置情況，如設(shè)置有多少個(gè)寄存器以及這些寄存器作用的。2.設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序通常包含三部分功能：①設(shè)備初始化。②啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸例程。③中斷處理例程：處理設(shè)備發(fā)出的各種中斷。27工作過(guò)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接收來(lái)自上層軟件的抽象請(qǐng)求，并執(zhí)行這個(gè)請(qǐng)求。若忙，則排到I/O請(qǐng)求隊(duì)列中。將請(qǐng)求轉(zhuǎn)換成應(yīng)向控制器發(fā)送的命令和設(shè)備的具體參數(shù)。通常，驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程等待命令完成，阻塞自己，直到中斷處理時(shí)將其喚醒。有時(shí)不必等待，如滾屏操作，把幾個(gè)字節(jié)寫到控制器中即可。檢查數(shù)據(jù)傳輸是否有錯(cuò)；向上層傳送數(shù)據(jù)。繼續(xù)未完成的I/O請(qǐng)求。283.獨(dú)立于設(shè)備的軟件（1）基本任務(wù)：實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備都需要的公共功能，且向用戶級(jí)軟件提供一個(gè)統(tǒng)一接口。（2）設(shè)備命名。把設(shè)備的符號(hào)名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上。UNIX，/dev/tty01

i節(jié)點(diǎn)主設(shè)備號(hào)（用來(lái)定位終端設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序），次設(shè)備號(hào)（作為參數(shù)用來(lái)確定設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序要讀/寫的具體終端）。29（3）設(shè)備保護(hù)。防止無(wú)權(quán)存取設(shè)備的用戶使用設(shè)備。UNIX的I/O設(shè)備作為文件用“rw”位進(jìn)行保護(hù)。禁止用戶進(jìn)程對(duì)I/O設(shè)備直接訪問，必須通過(guò)OS提供的系統(tǒng)調(diào)用命令進(jìn)行I/O操作。（4）提供與設(shè)備無(wú)關(guān)的塊尺寸。不同磁盤可以采用不同的扇區(qū)尺寸。應(yīng)向較高層的軟件掩蓋這一事實(shí)并提供大小統(tǒng)一的塊尺寸。較高層軟件只與抽象磁盤打交道，使用等長(zhǎng)的邏輯塊。30（5）緩沖技術(shù) 緩解CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾，減少對(duì)CPU的中斷次數(shù)。用戶進(jìn)程發(fā)出一個(gè)I/O請(qǐng)求時(shí)，OS便在主存分配緩沖區(qū)，緩存輸入或輸出的數(shù)據(jù)。以空間換取時(shí)間。單緩沖：OS為I/O請(qǐng)求分配一個(gè)緩沖區(qū)。雙緩沖：建立兩個(gè)緩沖區(qū)，可以平滑I/O設(shè)備和進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)流，改善系統(tǒng)效率。多緩沖和緩沖池：多進(jìn)程共享緩沖池。31高速緩存（補(bǔ)）（cache）是可以保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存。有時(shí)一塊內(nèi)存區(qū)域可以同時(shí)用于兩個(gè)目的。例如，為了有效調(diào)度磁盤I/O，在內(nèi)存開辟了緩沖區(qū)來(lái)保留磁盤數(shù)據(jù)。這些緩沖區(qū)也可以用作高速緩存，可被多個(gè)進(jìn)程共享。當(dāng)內(nèi)核收到I/O請(qǐng)求時(shí)，會(huì)首先檢查高速緩存里是否有。32（6）負(fù)責(zé)設(shè)備分配靜態(tài)分配：進(jìn)程運(yùn)行前，將需要的設(shè)備全部分配給它。簡(jiǎn)單，不死鎖，但利用率低。動(dòng)態(tài)分配：在進(jìn)程運(yùn)行過(guò)程中，分配設(shè)備。設(shè)備利用率高，但容易引起死鎖。33獨(dú)占方式分配：對(duì)獨(dú)占型設(shè)備的分配。共享分配：對(duì)共享型設(shè)備的分配。磁盤。

虛擬設(shè)備。常用可共享的高速設(shè)備來(lái)模擬獨(dú)占的慢速設(shè)備。能有效提高獨(dú)占型設(shè)備的利用率。Spooling技術(shù)是實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的具體技術(shù)。它利用可共享磁盤的一部分空間，模擬獨(dú)占的輸入/輸出設(shè)備。以空間換時(shí)間。34假脫機(jī)輸出：以打印機(jī)為例 Spooling實(shí)際是一種緩沖技術(shù)。進(jìn)程要打印時(shí)，系統(tǒng)并不為它分配打印機(jī)，而是在磁盤上申請(qǐng)一個(gè)空閑區(qū)，把待打印的數(shù)據(jù)緩沖到空閑區(qū)，再把打印請(qǐng)求掛到打印隊(duì)列上。打印機(jī)空閑時(shí)，從打印隊(duì)列上取出一個(gè)請(qǐng)求，再?gòu)拇疟P上的指定區(qū)域取出數(shù)據(jù)，送打印機(jī)打印。這種技術(shù)又叫緩輸出技術(shù)。35（7）出錯(cuò)處理絕大多數(shù)錯(cuò)誤是與設(shè)備密切相關(guān)的，一般由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)處理。處理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理不了的錯(cuò)誤（重試幾次操作后，仍有錯(cuò)誤）。將錯(cuò)誤信息報(bào)告調(diào)用者。36I/O軟件。（1）大部分都包含在操作系統(tǒng)中。（2）一小部分是由與用戶程序連接在一起的庫(kù)函數(shù)構(gòu)成的。[例]

用戶程序中的庫(kù)函數(shù)：

count=read(fd,buffer,nbytes);程序運(yùn)行期間，庫(kù)函數(shù)read將與該程序連接在一起形成一個(gè)可執(zhí)行文件裝入主存。這些函數(shù)通常只是將系統(tǒng)調(diào)用時(shí)所需要的參數(shù)放在合適的位置，由其他的I/O函數(shù)實(shí)現(xiàn)真正的操作。如“Printf”將調(diào)用“write”系統(tǒng)調(diào)用。4.用戶空間的I/O軟件375.I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)用戶進(jìn)程獨(dú)立于設(shè)備的軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序硬件I/O請(qǐng)求I/O完成后的回答38讀文件的I/O操作步驟用戶進(jìn)程發(fā)出一個(gè)讀文件的系統(tǒng)調(diào)用。設(shè)備獨(dú)立I/O軟件檢查參數(shù)的正確性。若正確，再檢查高速緩存中有無(wú)要讀的信息塊。若有，則從緩沖區(qū)直接讀到用戶區(qū)。若無(wú)，轉(zhuǎn)3)執(zhí)行物理I/O。獨(dú)立于設(shè)備的I/O軟件將設(shè)備的邏輯名轉(zhuǎn)換成物理名，檢查設(shè)備操作權(quán)限。將I/O請(qǐng)求排隊(duì)，阻塞用戶進(jìn)程且等待I/O完成。核心執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，分配緩沖區(qū)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，且向設(shè)備控制寄存器發(fā)啟動(dòng)讀命令。39設(shè)備控制器控制設(shè)備，執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)