苏州大学操作系统概念第13章

第十三章I/O系统6.2内容1.I/O硬件2.I/O控制方式3.I/O应用接口4.I/O内核子系统5.I/O操作1、I/O硬件6.4概述计算机2个主要任务：I/O操作-更加频繁计算I/O设备特点种类繁多，不断有新设备出现接口标准化：如USB如何适应I/O设备的特点是操作系统的一个挑战6.5概念端口总线（链环或共享总线）控制器（主机适配器）I/O指令控制设备I/O硬件6.6个人计算机中的设备I/O端口位置（部分）6.7I/O硬件控制控制设备方法（通过设备地址）：直接I/O指令INAL,60HOUT61H,AL内存映射I/O显存和内存统一编址I/O寄存器状态寄存器控制寄存器数据输入寄存器数据输出寄存器2、I/O控制方法6.9轮询Polling又称“程控输出入”（ProgrammedI/O）流程：1.由CPU定时发出询问，询问设备是否忙2.不忙即进行I/O，否则转1设备的状态就绪忙出错轮询法实作容易，但效率偏低CPU会长期处于忙等待6.10中断InterruptsI/O设备触发CPU的中断请求线触发中断中断向量为中断分配正确的中断处理程序基于优先级某些中断不可屏蔽中断处理程序处理中断中断机制也用来处理异常6.11中断驱动的I/O循环周期6.12IntelPentium处理器的事件向量表6.13为了避免用程序控制I/O来传输大量数据，需要DMA控制器绕过CPU，直接在I/O设备和内存之间传输数据直接内存访问DMA6.14DMA传输中的步骤3、I/O应用接口6.16设备独立性为了提高操作系统的可适应性和可扩展性现代操作系统中实现了设备独立性，也称为设备无关性应用程序独立于具体使用的物理设备实现方法引入逻辑设备和物理设备在应用程序中使用逻辑设备名称来请求使用某类设备而系统在实际执行时使用物理设备名称系统须具有将逻辑设备名称转换为物理设备名称的功能类似于存储管理中的逻辑地址和物理地址的概念6.17内核I/O结构I/O驱动接口I/O应用接口I/O系统的核心是I/O管理和控制6.18I/O系统调用将设备的行为封装成一些通用类型设备驱动层对内核隐藏了I/O控制器的不同细节设备在许多方面有很大差异字符流或块顺序或随机访问共享或独占操作速度读写、只读、只写I/O应用接口6.19I/O设备的特点6.20块设备包括磁盘命令包括读、写、寻找原始I/O或文件系统存取内存映射文件访问字符设备包括键盘、鼠标、串口设备命令包括get，put在接口之上，可以构造库以提供按行访问的能力块与字符设备6.21与块设备和字符设备有很大差别，具有自己的接口UNIX和WindowsNT/9i/2000具有套接字接口（Socket）分离网络协议和网络操作包括select()函数方式广泛：管道、FIFOs、流、队列、邮箱网络设备6.22获取当前时间，已逝去时间、计时器可编程间隔定时器可被用于等待一段时间，然后周期性的触发中断ioctl（在UNIX中）掩盖了时钟和定时器这些I/O设备的区别时钟与定时器6.23阻塞和非阻塞I/O3、I/O内核子系统6.25提供了与I/O有关的服务，建立在硬件和设备驱动程序结构之上，还负责保护自己免受错误进程和恶意用户的危害I/O调度某些I/O请求需要按设备队列排序某些操作系统试图维持公平先来先服务算法缓冲(Buffering)－设备之间传输的数据暂时存放在内存中解决设备之间的速度差异协调传输数据大小不一致维持“拷贝语义”I/O内核子系统6.26设备状态表6.27SunEnterprise6000的设备传输率6.28高速缓存(Cache)－保留数据拷贝的高速内存仅仅是一个拷贝关键是性能假脱机(Spooling)－保存设备输出的缓冲如果设备在一个时刻只能相应一个请求如，打印机I/O保护－防止非法I/O指令的执行定义I/O指令为特权指令应用程序I/O操作必须通过系统调用实现I/O内核子系统6.29Spooling输入进程Spi输出进程Spo输入井输出井输入缓冲区Bi输出缓冲区Bo输入设备输出设备磁盘6.30使用系统调用执行I/O6.31错误处理操作系统可以从磁盘读、设备无效、暂时写失败等错误中恢复当出现I/O请求失败时，多数情况返回一个错误号系统出错日志记录了错误报告内核数据结构内核保存了I/O组件的状态信息，包括文件打开表、网络连接、字符设备状态等许多复杂的数据结构用于记录缓冲、内存分配和“脏”块有些操作系统使用面向对象的方法和消息机制来实现I/OI/O内核子系统6.32UNIX的I/O内核结构5、I/O操作6.34考虑一个进程从磁盘读取一个文件：确定保存文件的设备将文件名转换成设备使用的表示法把数据从磁盘读入缓冲通知请求进程数据可用将控制权返回给进程把I/O操作转换成硬件操作6.35I/O请求的生命周期