操作系统-第06章-输入输出系统

第六章输入输出系统6.1 I/O系统的功能、模型和接口6.2 I/O设备和设备控制器

6.3中断机构和中断处理程序

6.4 设备驱动程序

6.5 与设备无关的I/O软件

6.6 用户层的I/O软件

6.7 缓冲区管理

6.8 磁盘存储器的性能和调度

习题

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6.1 I/O系统的功能、模型和接口

I/O系统管理的主要对象是I/O设备和相应的设备控制器。其最主要的任务是，完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率，以及提高设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段。

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6.1.1 I/O系统的基本功能

1. 隐藏物理设备的细节

I/O设备的类型非常多，且彼此间在多方面都有差异，诸如它们接收和产生数据的速度，传输方向、粒度、数据的表示形式及可靠性等方面。

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2. 与设备的无关性

隐藏物理设备的细节，在早期的OS中就已实现，它可方便用户对设备的使用。与设备的无关性是在较晚时才实现的，这是在隐藏物理设备细节的基础上实现的。

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3. 提高处理机和I/O设备的利用率

在一般的系统中，许多I/O设备间是相互独立的，能够并行操作，在处理机与设备之间也能并行操作。因此，I/O 系统的第三个功能是要尽可能地让处理机和I/O设备并行操作，以提高它们的利用率。为此，一方面要求处理机能快速响应用户的I/O请求，使I/O设备尽快地运行起来；另一方面也应尽量减少在每个I/O设备运行时处理机的干预时间。

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4. 对I/O设备进行控制

对I/O设备进行控制是驱动程序的功能。目前对I/O设备有四种控制方式：①采用轮询的可编程I/O方式；②采用中断的可编程I/O方式；③直接存储器访问方式；④I/O通道方式。

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5. 确保对设备的正确共享

从设备的共享属性上，可将系统中的设备分为如下两类：

(1) 独占设备，进程应互斥地访问这类设备，即系统一

旦把这类设备分配给了某进程后，便由该进程独占，直至用完释放。典型的独占设备有打印机、磁带机等。系统在对独占设备进行分配时，还应考虑到分配的安全性。

(2) 共享设备，是指在一段时间内允许多个进程同时访

问的设备。典型的共享设备是磁盘，当有多个进程需对磁盘执行读、写操作时，可以交叉进行，不会影响到读、写的正确性。

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6. 错误处理

大多数的设备都包括了较多的机械和电气部分，运行时容易出现错误和故障。从处理的角度，可将错误分为临时性错误和持久性错误。对于临时性错误，可通过重试操作来纠正，只有在发生了持久性错误时，才需要向上层报告。

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6.1.2 I/O系统的层次结构和模型

1.?I/O软件的层次结构

通常把I/O 软件组织成四个层次，如图6-1所示。

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图6-1 I/O

系统的层次结构

2. I/O系统中各种模块之间的层次视图

为了能更清晰地描述I/O系统中主要模块之间的关系，我们进一步介绍I/O系统中各种I/O模块之间的层次视图。见图6-2所示。

1) I/O系统的上、下接口

(1) I/O系统接口。

(2) 软件/硬件(RW/HW)接口。

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图6-2 I/O

系统中各种模块之间的层次视图

2) I/O系统的分层

与前面所述的I/O软件组织的层次结构相对应，I/O系统本身也可分为如下三个层次：

(1) 中断处理程序。

(2) 设备驱动程序。

(3) 设备独立性软件。

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6.1.3 I/O系统接口

在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。在图6-2中示出了块设备接口、流设备接口和网络接口。

1. 块设备接口

(1) 块设备。

(2) 隐藏了磁盘的二维结构。

(3) 将抽象命令映射为低层操作。

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2. 流设备接口

流设备接口是流设备管理程序与高层之间的接口。该接口又称为字符设备接口，它反映了大部分字符设备的本质特征，用于控制字符设备的输入或输出。

(1) 字符设备。

(2) get和put操作。

(3) in-control指令。

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3. 网络通信接口

在现代OS中，都提供了面向网络的功能。但首先还需要通过某种方式把计算机连接到网络上。同时操作系统也必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使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。

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6.2 I/O设备和设备控制器

I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O 的电子部件组成。通常将这两部分分开，执行I/O操作的机械部分就是一般的I/O设备，而执行控制I/O的电子部件则称为设备控制器或适配器(adapter)。在微型机和小型机中的控制器常做成印刷电路卡形式，因而也常称为控制卡、接口卡或网卡，可将它插入计算机的扩展槽中。在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。

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6.2.1 I/O设备

1. I/O设备的类型

1) 按使用特性分类

2) 按传输速率分类

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2. 设备与控制器之间的接口

通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，因此，在I/O设备中应含有与设备控制器间的接口，在该接口中有三种类型的信号(见图6-3所示)，各对应一条信号线。

(1) 数据信号线。

(2) 控制信号线。

(3) 状态信号线。

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图6-3

设备与控制器间的接口