1、输入/输出第5章5.1 I/O硬件原理5.2 I/O软件原理5.3 I/O软件层次5.4 硬盘5.5 时钟I/O设备分类 与人进行交互 用于和用户进行通信 打印机 视频显示设备 显示器 键盘 鼠标 与设备进行交互 用于和电子设备进行通信 磁盘和磁带 传感器 控制器 传动器I/O设备分类 网络通信类 用于和远程设备进行通信 数据线 调制解调器 所有设备在操作系统中被粗略地分为两类 块设备 字符设备I/O设备的不同 数据传输率 不同设备在数据传输率上有可能相差几个数量级 应用 如当磁盘用于存储文件时需要文件管理软件的配合 当磁盘用于存储虚页时需要特殊的硬件和软件的支持 被系统管理员使用的终端必须具
2、有高级的优先权 控制的复杂度I/O设备的不同 传输单位 对于终端,数据的传输是以字符流为单位,而磁盘则是以块为单位 数据的表示方式 不同设备编码方式不一样 出错表示方式I/O硬件原理某些典型设备、网络和总线的数据率设备控制器 I/O设备的组成:机械部分 电子部分 组成设备的电子部分就是设备控制器 一个设备控制器可以处理一类设备 控制器的任务 将串行的位流转换成字节块 尽可能进行纠错 可以与主存进行读写操作内存映射I/O（1）单独的I/O和内存空间 内存映射I/O 混合方案内存映射I/O(2)(a)单总线体系结构(b)双总线内存体系结构I/O数据传输方式 程序控制I/O 在进行输入/输出时，CP
3、U处于一种忙等待 中断驱动I/O CPU发出I/O命令，由控制器具体执行 CPU转去执行其他指令 控制器完成I/O后，向CPU发中断信号I/O数据传输方式 直接存储器存取(DMA)由专门的DMA控制器控制数据在内存与外部设备间的传输 CPU仅仅在所有数据传输结束后进行中断干预 通道控制方式System BusProcessorI/O BusI/OControllerI/OControllerI/OControllerI/OControllerMemoryChannelProcessor几种数据传输方式的关系中断回顾中断是怎样发生的，设备与中断控制器之间的连线实际上使用的是总线上的中断线而不是专
4、用 连线。busControl registerData register直接存储器存取(DMA)直接存储器存取(DMA)DMA传送操作直接存储器存取(DMA)基本原理:处理器将相应的传输命令发给DMA控制器 DMA控制器直接将数据与内存间进行交换 当数据传输结束，DMA控制器向处理器发中断信号DMA 配置几种几种DMA控制器的使用方式控制器的使用方式DMA 配置几种几种DMA控制器的使用方式控制器的使用方式I/O软件原理I/O软件的目标(1)设备独立性 程序能够访问任意的设备 不需要事先指定 (如读取硬盘,软盘,或光区)统一命名 一个文件或设备的名字应该是一个简单的字符串或一个整数 不应依赖
5、于任何设备 错误处理 错误应该尽可能在接近硬件层面得到处理I/O软件目标(2)同步(Synchronous)和异步(asynchronous)传输 阻塞式传输和中断驱动传输 缓冲 数据离开一个设备后通常并不能直接存放到目的地 共享设备和独占设备 磁盘是共享设备 磁带是独占性设备程序控制I/O(1)打印一个字符串的步骤程序控制I/O(2)使用程序控制 I/O将一个字符串写到打印机中断驱动 I/O 使用中断驱动 I/O将一个字符串写到打印机 当打印系统被调用时执行的代码 打印机的中断服务过程使用 DMA的I/O 使用 DMA打印一个字符串 当打印系统被调用时执行的代码 中断服务过程I/O 软件层次
6、I/O软件系统的层次中断处理程序(1)中断向量程序应该隐藏在操作系统内部将启动I/O操作的驱动程序阻塞起来,直到I/O操作完成且产生一个中断中断处理程序将完成它所要做的全部工作然后将启动中断的驱动程序解除阻塞硬件中断完成之后软件中断的执行步骤1.保存没有被中断硬件保存的所有寄存器2.为中断服务过程设置上下文,可能包括设置TLB,MMU和页表中断处理程序(2)3.为中断服务过程设置堆栈4.应答中断控制器,如果不存在集中的中断控制器,则再次开放中断5.将寄存器从它们被保存的地方复制到进程表中6.运行中断服务过程,从发出中断的设备控制器的寄存器中提取信息 7.选择下一次运行哪一个进程8.为下一次要运
7、行的进程设置MMU上下文9.装入新进程的寄存器10.开始运行新进程设备驱动程序 设备驱动程序的逻辑定位 驱动程序和设备控制器之间的所有通信都通过总线与设备无关的 I/O软件(1)与设备无关的I/O软件功能设备驱动程序的统一接口缓冲错误报告分配与释放专用设备提供与设备无关的块大小与设备无关的 I/O 软件(2)(a)没有标准的驱动程序接口(b)具有标准的驱动程序接口与设备无关的 I/O 软件(3)(a)无缓冲的输入(b)用户空间中的缓冲(c)内核空间中的缓冲接着复制到用户空间(d)内核空间中的双缓冲双缓冲 使用两个系统内核空间中的缓冲 当第一个缓冲区被填满之后,在它被清空之前可以使用第二个缓冲区
8、循环缓冲 可以使用的缓冲区有两个以上 Each individual buffer is one unit in a circular buffer Used when I/O operation must keep up with process缓冲池(buffer pool)缓冲区队列：三种：空闲缓冲区，输入缓冲区，输出缓冲区 操作：四种：设备输入，CPU读入，设备输出，CPU写出。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。这是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。in queueempty queueout queueBuffer PoolDeviceCPU与设备无关的I/
9、O软件(3)错误报告 分配与释放专用设备 与设备无关的块大小用户空间的 I/O软件 I/O系统的层次以及每一层的主要功能SPOOLing(假脱机,虚拟设备技术),Simultaneous Peripheral Operation On Line可把独享设备转变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。引入：在多道批处理系统中，专门利用一道程序（SPOOLing程序）来完成对设备的I/O操作。无需使用外围I/O处理机。Application AApplication BSPOOLingProgramDeviceVirtual I/OActual I/O原理:SPOOLing程序和外设进行数据
10、交换，可以称为“实际I/O”。一方面，SPOOLing程序预先从外设输入数据并加以缓冲，在以后需要的时候输入到应用程序；另一方面，SPOOLing程序接受应用程序的输出数据并加以缓冲，在以后适当的时候输出到外设。在SPOOLing程序中，需要管理两级缓冲区：内存缓冲区和快速外存上的缓冲池，后者可以暂存多批I/O操作的较多数据。应用程序进行I/O操作时，只是和SPOOLing程序交换数据，可以称为虚拟I/O。这时虚拟I/O实际上是从SPOOLing程序的缓冲池中读出数据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外设进行I/O操作。优点：高速虚拟I/O操作：应用程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩短应
11、用程序的执行时间。另一方面，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。实现对独享设备的共享：由SPOOLing程序提供虚拟设备，可以对独享设备依次共享使用。举例：打印机设备和可由打印机管理器管理的打印作业队列。如：Windows NT中，应用程序直接向针式打印机输出需要15分钟，而向打印作业队列输出只需要1分钟，此后用户可以关闭应用程序而转入其他工作，在以后适当的时候由打印机管理器完成15分钟的打印输出而无需用户干预。磁盘的结构盘盘的硬件(1)盘盘的硬件(2)最初的IBMPC360KB软盘参数与西部数据公司WD18300硬盘参数盘的硬件(3)具有两个环带的磁盘的物理几何规格 该磁盘
12、的一种可能的虚拟几何规格RAID Redundant Array of Independent Disks(廉价磁盘冗余阵列)由一个RAID控制器加上一个装满磁盘的盒子组成,而对操作系统而言就是一个大容量的磁盘 数据被分布在多个驱动器的阵列上 冗余磁盘可以用来存放奇偶信息 Raid 0级到2级 阴影表示备份或者存放校验码的盘镜像镜像无冗余无冗余冗余盘上存放的是海明校冗余盘上存放的是海明校验码验码 Raid 3级到5级 阴影表示备份或者存放校验码的盘bit-interleaved parityblock-level parityblock-level distributed parity磁盘格式
13、化(1)一个磁盘扇区磁盘格式化(2)柱面斜进示意图磁盘的格式化(3)无交错 单交错 双交错磁头臂调度算法(1)读写一个磁盘块的时间又下面三个因素构成1.寻道时间2.旋转延迟3.实际数据传输时间寻道时间占主导地位传输过程中的纠错由控制器完成磁头臂调度策略 先来先服务(FIFO)按达到顺序满足进程的需求 对所有进程都公平 在磁盘I/O负载较轻且每次读写多个连续扇区时，性能较好 优先级 目标是系统目标的实现，而不是改进磁盘I/O性能 短作业具有较高优先级 反映进程在系统的优先级特征,具有较好系统交互响应时间磁头臂调度策略 后进先出 该算法是基于事务系统中顺序文件中磁盘I/O的局部性特征，相邻访问的位
14、置也相邻。它的问题在于系统负载重时，可能有进程的磁盘I/O永远不能执行，处于饥饿状态。最短寻道时间优先 考虑磁盘I/O请求队列中各请求的磁头定位位置，选择从当前磁头位置出发，移动最少的磁盘I/O请求。该算法的目标是使每次磁头移动时间最少。它不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。对中间的磁道有利，可能会有进程处于饥饿状态。磁头臂调度策略 SCAN(elevator algorithm,扫描算法,电梯算法)选择在磁头前进方向上从当前位置移动最少的磁盘I/O请求执行，没有前进方向上的请求时才改变方向。该算法是对SSTF算法的改进，磁盘I/O较好，且没有进程会饿死。C-SCAN(
15、循环扫描)严格按照一个方向进行扫描,在一个方向上使用扫描算法，当到达边沿时直接移动到另一沿的第一个位置。该算法可改进扫描算法对中间磁道的偏好。实验表明，该算法在中负载或重负载时，磁盘I/O性能比扫描算法好。磁头臂调度策略 几种不同调度算法的比较几种不同调度算法的比较错误处理 具有一个坏扇区的磁盘磁道 用备用扇区替换坏扇区 移动所有扇区以回避坏扇区时钟时钟硬件可编程时钟时钟软件(1)维护日时间的三种方式时钟软件(2)用单个时钟模拟多个定时器时钟软件的主要功能 维护日期时间 防止进程超时运行 对CPU的使用情况记帐 处理用户进程提出的alarm系统调用 为系统本身的各个部分提供监视定时器 完成概要剖析、监视和统计信息收集软定时器 可引发定时中断的辅助可编程时钟 用于应用程序特定的目的 若中断频率较低,不会有任何问题 避免了中断的软定时器 无论何时当内核因某种原因在运行时,在它返回到用户态之前,它都要检查实时时钟以了解软定时器是否到期 软定时器性能的好坏取决于内核返回用户态的情况Summary I/O设备管理软件的目标和功能 I/O设备数据传输的控制方式 I/O设备的调度策略 高速缓存和缓冲区 假脱机技术
