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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1I/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2I/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3I/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有高级的优先权控制的复杂度4I/O设备的不同传
2、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5I/O硬件原理某些典型设备、网络和总线的数据率6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7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8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910I/O数据传输方式程序控制I/O在进行输入/输出时，CPU处于一种忙等待中断驱动I/OCPU发出I/O命令，由控制器具体
3、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11I/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1213几种数据传输方式的关系14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用 连线。busControl registerData register15直接存储器存取(DMA)16直接存储器存取(DMA)DMA传送操作17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
4、据传输结束，DMA控制器向处理器发中断信号18DMA 配置几种几种DMA控制器的使用方式控制器的使用方式19DMA 配置几种几种DMA控制器的使用方式控制器的使用方式20I/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21I/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
5、磁带是独占性设备22程序控制I/O(1)打印一个字符串的步骤23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24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25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26I/O 软件层次I/O软件系统的层次27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
6、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28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29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30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
7、与释放专用设备提供与设备无关的块大小31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32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33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34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 bufferUsed when I/O operation must keep up with p
8、rocess35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。36与设备无关的I/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37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38SPOOLing(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
9、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。39原理:SPOOLing程序和外设进行数据交换，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
10、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。40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。41磁盘的结构盘
11、盘的硬件(1)42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43盘的硬件(3)具有两个环带的磁盘的物理几何规格该磁盘的一种可能的虚拟几何规格44RAIDRedundant 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45Raid 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46Raid 3级到5级阴影表示备份或者存
12、放校验码的盘bit-interleaved parityblock-level parityblock-level distributed parity47磁盘格式化(1)一个磁盘扇区48磁盘格式化(2)柱面斜进示意图49磁盘的格式化(3)无交错单交错双交错50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51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
13、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52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。53磁头臂调度策略SCAN(elevator algorithm,扫描算法,电梯算法)选择在磁头
14、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(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。54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55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56时钟时钟硬件可编程时钟57时钟软件(1)维护日时间的三种方式58时钟软件(2)用单个时钟模拟多个定时器59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60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61SummaryI/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62