6.I/O设备管理

• ​缓冲管理

  • ​缓冲的引入

    • ​处理数据流的生产者与消费者之间的速度差异

    • ​协调传输数据大小不一致的设备

  • ​单缓冲

    • 1. ​数据送入系统缓冲区，传送完成，进程把该块移到用户空间

    • ​2. 立即请求另一块系统缓冲区

    • ​3.同时用户可以处理用户区的那一块数据

    • ​可以提高速度

  • ​双缓冲

    • ​一个进程往一个缓冲区中传送数据时，操作系统可清空或填充另一个缓冲区

  • ​循环缓冲

    • ​多个缓冲区

      • ​空缓冲区

      • ​已装满数据的缓冲区

      • ​现行工作缓冲区

    • ​多个指针

      • ​Nextg

      • ​Nexti

      • ​Current

  • ​缓冲池

    • ​3类缓冲区

      • ​空缓冲区

      • ​装满输入数据的缓冲区

      • ​装满输出数据的缓冲区

    • ​3种缓冲队列

      • ​空缓冲队列 emq

      • ​输入队列 inq

      • ​输出队列 outq

    • ​4种工作缓冲区

      • ​收容输入

      • ​提取输入

      • ​收容输出

      • ​提取输出

• ​what

  • ​用于计算机系统与人通信或与其他机器通信的所有设备

• ​I/O系统

  • ​结构

    • ​微机I/O系统

      • ​cpu与设备不能直接信息交换，需要经过设备控制器

    • ​主机I/O系统

      • ​主机

      • ​通道

      • ​控制器

      • ​设备

  • ​设备分类

    • ​按传输速率

      • ​低速

        • ​一百以内 kb/s

          • ​键盘鼠标

      • ​中速

        • ​千万 kb/s

          • ​打印机

      • ​高速

        • ​几十万~几兆 kb/s

          • ​磁带机，磁盘机，光盘

    • ​按信息交换单位

      • ​块设备

      • ​字符设备

    • ​按设备共享属性

      • ​独占设备

      • ​共享设备

      • ​虚拟设备

  • ​设备控制器

    • ​I/O设备分为机械和电子两部分，~属于电子部分，可编程

    • ​what？

      • ​cpu与I/O设备之间的接口，接收I/O的命令并控制设备完成I/O工作

      • ​设备控制器是一个可编址设备

    • ​功能

      • ​1. 接收和识别命令

      • ​2.数据交互

      • ​3.设备状态的了解和报告

      • ​4.地址识别

      • ​5.数据缓冲

      • ​6.差错控制

    • ​组成

      • ​设备控制器和处理机的接口

      • ​设备控制与设备的接口

      • ​I/O逻辑

  • ​I/O通道

    • ​用于大型主机控制I/O设备，与控制设备结合，与设备控制器有对等的功能

    • ​提供操作系统与I/O设备之间的接口

    • ​特殊的处理机，执行I/O指令

    • ​使cpu从控制I/O的任务中解脱，使cpu与I/O并行工作

• ​设备分配

  • ​数据结构

    • ​设备控制表 DTC

      • ​设备类型

      • ​设备标识符

      • ​设备状态

      • ​指向控制器的指针

      • ​重复执行的次数或时间

      • ​设备队列的队首指针

    • ​控制器控制表 COCT

      • ​控制器标识符

      • ​控制器状态

      • ​与控制器相连接的通道表指针

      • ​控制器队列的队首指针

      • ​控制器队列的队尾指针

    • ​通道控制表 CHCT

      • ​通道标识符

      • ​通道状态

      • ​与通道相连接的控制器表首址

      • ​通道队列的队首指针

      • ​通道队列的对位指针

    • ​系统设备表

      • ​设备类型

      • ​设备标识符

      • ​设备控制表

      • ​驱动程序的入口地址

  • ​考虑因素

    • ​设备固有属性

      • ​独占设备

      • ​共享设备

      • ​可虚拟设备

    • ​设备分配算法

      • ​先来先服务

      • ​基于优先权

    • 安全性

  • ​分配方式

    • ​安全分配方式

      • ​进程发出I/O请求后，进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒

    • ​不安全分配方式

      • ​进程在I/O请求后仍在继续运行，需要时又发出其他I/O请求

  • ​设备独立性

    • ​含义

      • ​应用程序独立于具体使用的物理设备

    • ​好处

      • ​程序与物理设备无关，设备增减不动程序

      • ​易于处理输入/输出设备的故障

      • ​提高系统的可靠性，增加灵活性

    • ​设备独立软件功能

      • ​1.执行所有设备的公有操作

      • ​2.向用户层软件提供统一的接口，屏蔽访问硬件的细节

  • ​独占设备分配步骤

    • ​1.分配设备

    • ​2.分配控制器

    • ​3.分配通道

• ​I/O控制方式

  • ​轮询

    • 反复检测设备控制器状态的寄存器的忙/闲标志位（循环检测，浪费）

  • ​中断

    • ​中断控制器发送中断请求，cpu响应中断，执行中断处理程序，然后唤醒阻塞进程

  • ​DMA

    • ​逻辑组成

      • ​主机与DMA的接口

      • ​DMA与设备的接口

      • ​I/O控制逻辑

    • ​4类寄存器

      • ​命令/状态 寄存器 CR

        • ​接收从cpu发来的I/O命令或有关控制信息

      • ​内存地址寄存器 MAR

        • ​存放内存地址

      • ​数据寄存器 DR 

        • ​指示DMA，本次向cpu发出中断信号前要读或写数据的次数

      • ​数据计数器 DC

        • ​暂存DMA传输中要输入或输出的数据。

• ​I/O软件原理

  • ​总体目标

    • ​将软件组织成一种层次结构

      • ​低层软件用来屏蔽硬件的具体细节

      • ​高层软件主要是为用户提供一个简洁、规范的界面

  • ​四个层次

    • ​用户层软件

    • ​与设备无关的软件层

      • ​与硬件无关的I/O软件功能

        • ​设备命名

        • ​设备保护

        • ​提供独立于设备的块大小

        • ​为块设备和字符设备提供必要的缓冲技术

        • ​块设备的存储分配

        • ​分配和释放独立设备

        • ​错误处理

    • ​设备驱动程序

      • ​what?

        • ​I/O 进程与设备控制器之间的通信程序

      • ​任务

        • ​接收上层软件发来的抽象的I/O请求，转为具体的要求，发给设备控制器

        • ​设备控制器发来的信号传送给上层

    • ​中断处理程序（底层）

      • ​作用

        • ​将发出I/O请求而被阻塞的进程唤醒

  • ​设备管理软件功能

    • ​1.实现I/O设备的独立性

    • ​2.错误处理

    • ​3.异步传输

    • ​4.缓冲管理

    • ​5.设备的分配和释放

    • ​6.实现I/O控制方式