操作系统之I/O设备

I/O系统

设备管理

1. I/O系统的基本功能及模型

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。
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
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。

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系统的组成

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。
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

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

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

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。
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。

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。
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。

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。

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：
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。

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

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。

 

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（如下图）
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。
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。
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。

缓冲区管理

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）

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。
单位：字符设备输入时，缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据；块设备输入则是成块数据。
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。
两个缓冲区，CPU和外设不再针对一块交替
可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

2）循环缓冲(circular buffer)

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
Getbuf过程：使用缓冲区时，可调用该过程
计算进程取：current=Nextg,G—>C，nextg下移一个。
输入进程放：current=nexti，R—>C，nexti下移一个
Releasebuf过程：
计算进程：C->R
输入进程：C->G
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：
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。
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）

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）
*（队列长度不固定，根据进程实际情况灵活变动，需要多少用多少）
②缓冲区的工作方式
四种工作方式：
收容输入：Getbuf(emq),hin；输入数据填入一空缓冲区；Putbuf(inq,hin)
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)
收容输出： Getbuf(emq),hout；输出数据填入一空缓冲区；Putbuf(outq,hout)
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)

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
传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。

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：
FCFS
最短寻道时间优先SSTF
扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
循环扫描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法

扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）

SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进：
考虑距离的同时，更优先考虑方向
SCAN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
前述最近寻道算法共同问题：
“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
如现有一系列请求：
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法，从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….

扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）
SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进：
考虑距离的同时，更优先考虑方向
SCAN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
前述最近寻道算法共同问题：
“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上，导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。（因：高密度盘，进程的读写可能集中在某一磁道）
如现有一系列请求：
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法，从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….