计算机系统操作白金版教程第13章 IO系统课件

1、股票基础 http:/ 淘宝减肥产品排行榜 http:/www.unx.cc/ 减肥方法 http:/ 上海舞蹈培训 http:/ 总统 http:/ 博发http:/ 1第第13章章 I/O系统系统 主要内容主要内容0概述概述0I/O硬件硬件0I/O应用接口应用接口0I/O内核子系统内核子系统0把把I/O操作转换成硬件操作操作转换成硬件操作0流流0性能性能213.1 概述概述计算机的两个主要任务：计算机的两个主要任务：I/O操作、计算处理操作、计算处理操作系统在操作系统在I/O方面的作用：管理和控制方面的作用：管理和控制I/O操作和操作和I/O设设备备本章涉及问题本章涉及问题描述描述I/O硬

2、件的基本特点硬件的基本特点讨论操作系统所提供的讨论操作系统所提供的I/O服务及其为应用程序所提供服务及其为应用程序所提供的接口的接口解释操作系统如何缩小硬件接口与应用接口之间的差距解释操作系统如何缩小硬件接口与应用接口之间的差距讨论讨论UNIX System V的流机制的流机制1) 讨论讨论I/O性能问题及用来提高性能问题及用来提高I/O性能的操作系统设计原性能的操作系统设计原则则3 I/O设备在其功能与速度方面存在很大差异，需要操作系设备在其功能与速度方面存在很大差异，需要操作系统采用多种方法来控制统采用多种方法来控制 I/O设备技术呈现两个相矛盾的趋势设备技术呈现两个相矛盾的趋势0硬件与软

3、件接口日益增长的标准化，有助于人们将设硬件与软件接口日益增长的标准化，有助于人们将设备集成到现有计算机和操作系统备集成到现有计算机和操作系统0I/O设备日益增长的多样性，有的新设备与旧设备区别设备日益增长的多样性，有的新设备与旧设备区别很大以至于很难集成到计算机和操作系统中很大以至于很难集成到计算机和操作系统中 设备驱动程序：为设备驱动程序：为I/O子系统提供统一接口子系统提供统一接口413.2 I/O硬件硬件计算机设备计算机设备0存储设备（磁盘、磁带）存储设备（磁盘、磁带）0传输设备（网卡、调制解调器）传输设备（网卡、调制解调器）0人机交互设备（屏幕、键盘、鼠标）人机交互设备（屏幕、键盘、鼠

4、标）I/O设备：用来进行输入、输出的设备统称设备：用来进行输入、输出的设备统称I/O设备设备I/O硬件涉及的主要概念硬件涉及的主要概念0总线总线0控制器控制器0I/O端口及其寄存器端口及其寄存器0主机与设备控制器之间的握手关系主机与设备控制器之间的握手关系0通过轮寻检测或中断的握手执行通过轮寻检测或中断的握手执行0将大量传输下交给将大量传输下交给DMA控制器控制器51、总线（、总线（bus） 总线：一个或多个设备使用一组共同的线的连接方式，是总线：一个或多个设备使用一组共同的线的连接方式，是一组线和一组严格定义的可以描述在线上传输信息的协议一组线和一组严格定义的可以描述在线上传输信息的协议 P

5、C总线结构（图总线结构（图13.1 P334）0PCI总线：连接处理机内存子系统与快速设备总线：连接处理机内存子系统与快速设备0扩展总线：连接串行、并行端口和相对较慢的设备扩展总线：连接串行、并行端口和相对较慢的设备0SCSI总线：连接总线：连接SCSI控制器与存储设备控制器与存储设备62、控制器（、控制器（controller） 控制器是用于操作端口、总线或设备的一组电子器件控制器是用于操作端口、总线或设备的一组电子器件0串口控制器（简单）串口控制器（简单）0SCSI总线控制器（复杂）总线控制器（复杂）0磁盘控制器（内置）磁盘控制器（内置） 处理器如何向控制器发送命令和数据以完成处理器如何向

6、控制器发送命令和数据以完成I/O传输？传输？0控制器有一个或多个用于数据和控制信号的寄存器，控制器有一个或多个用于数据和控制信号的寄存器，处理器通过读写这些寄存器的位组合来与控制器通信处理器通过读写这些寄存器的位组合来与控制器通信xI/O指令：触发总线线路来选择合适设备并将位信息传指令：触发总线线路来选择合适设备并将位信息传入或传出设备寄存器入或传出设备寄存器x内存映射：设备控制器映射到处理器的地址空间内存映射：设备控制器映射到处理器的地址空间73、I/O端口及其寄存器端口及其寄存器 端口：设备与计算机通信的连接点端口：设备与计算机通信的连接点 I/O端口通常有四种寄存器端口通常有四种寄存器0

7、状态寄存器：包含一些主机可读取的信息状态寄存器：包含一些主机可读取的信息0控制寄存器：被主机用来向设备发送命令或改变设备控制寄存器：被主机用来向设备发送命令或改变设备状态状态0数据输入寄存器：被主机读取数据数据输入寄存器：被主机读取数据0数据输出寄存器：被主机写入数据以发送数据数据输出寄存器：被主机写入数据以发送数据84、主机与设备控制器之间的握手关系、主机与设备控制器之间的握手关系（例）（例）前提：用两个前提：用两个位位协调控制器与主机之间的生产者与消费者的关系，协调控制器与主机之间的生产者与消费者的关系，控制器通过状态寄存器的控制器通过状态寄存器的忙位忙位（busy bit）来显示其状态；

8、主机通过）来显示其状态；主机通过命令寄存器中命令寄存器中命令就绪位命令就绪位来表示其意愿来表示其意愿当主机需要通过端口来写出数据时，主机与控制器之间握手协调如当主机需要通过端口来写出数据时，主机与控制器之间握手协调如下：下：主机不断的读取主机不断的读取忙位忙位，直到该位被清除，直到该位被清除主机设置命令寄存器中的主机设置命令寄存器中的写位写位并向数据输出寄存器中写入一个字节并向数据输出寄存器中写入一个字节主机设置主机设置命令就绪位命令就绪位当控制器注意到当控制器注意到命令就绪位命令就绪位已被设置，则设置已被设置，则设置忙位忙位控制器读取命令寄存器，并看到写入命令。它从控制器读取命令寄存器，并看

9、到写入命令。它从数据输出寄存器数据输出寄存器中中读取一字节，并向设备执行读取一字节，并向设备执行I/O操作操作1) 控制器清除控制器清除命令就绪位命令就绪位，清除状态寄存器的，清除状态寄存器的故障位故障位以表示设备以表示设备I/O成成功，清除功，清除忙位忙位以表示完成以表示完成95、轮询方式的握手执行、轮询方式的握手执行 轮询（忙等待）：在握手关系中，不断的读取状态寄存器轮询（忙等待）：在握手关系中，不断的读取状态寄存器直到忙位被清除的方式，称为直到忙位被清除的方式，称为 通常，轮询设备使用通常，轮询设备使用3种种CPU指令指令0读取设备寄存器读取设备寄存器0逻辑逻辑AND以提取状态位以提取状

10、态位0根据状态位是否为根据状态位是否为0进行跳转进行跳转106、中断方式的握手执行、中断方式的握手执行 由来：若让设备准备好时再通知处理器而不是由由来：若让设备准备好时再通知处理器而不是由CPU轮轮询外设询外设I/O是否完成，会提高效率是否完成，会提高效率 中断：使外设通知中断：使外设通知CPU的硬件机制的硬件机制 基本中断机制工作过程（下页图）基本中断机制工作过程（下页图）0设备控制器通过中断请求线发送信号而引起中断设备控制器通过中断请求线发送信号而引起中断0CPU捕获中断并派遣到中断处理程序捕获中断并派遣到中断处理程序0中断处理程序通过处理设备来清除中断中断处理程序通过处理设备来清除中断1

11、1设备驱动器初始化设备驱动器初始化I/OCPU接收到中断，将控接收到中断，将控制权交给中断处理程序制权交给中断处理程序中断处理程序处理数据，中断处理程序处理数据，从中断返回从中断返回CPU继续处理被中断的任务继续处理被中断的任务输入准备就绪，输出完毕输入准备就绪，输出完毕或出错，产生中断信号或出错，产生中断信号初始化初始化I/OCPU 1I/O控制器控制器CPU执行检查指执行检查指令之间的中断令之间的中断352674采用中断驱动的采用中断驱动的I/O循环周期循环周期12关于中断的其他问题关于中断的其他问题复杂的中断处理特性（现代操作系统）复杂的中断处理特性（现代操作系统）0在做关键处理时，能够

12、延迟中断处理在做关键处理时，能够延迟中断处理0更为有效的将中断派遣到合适的中断处理程序更为有效的将中断派遣到合适的中断处理程序0区分中断优先级，根据紧迫程度来响应区分中断优先级，根据紧迫程度来响应中断类型中断类型0非屏蔽中断：主要用来处理如不可恢复内存错误等事件非屏蔽中断：主要用来处理如不可恢复内存错误等事件0可屏蔽中断：可以由可屏蔽中断：可以由CPU在执行关键的不可中断的指令序列前在执行关键的不可中断的指令序列前加以屏蔽加以屏蔽中断向量（中断向量（interrupt vector）：包含了特殊中断处理程序的内存地）：包含了特殊中断处理程序的内存地址址中断优先级（中断优先级（interrupt

13、 priority）：使）：使CPU延迟处理低优先级中断延迟处理低优先级中断而不屏蔽所有中断，也可以让高优先级中断抢占低优先级中断处理而不屏蔽所有中断，也可以让高优先级中断抢占低优先级中断处理137、DMA控制器的握手执行控制器的握手执行（直接内存访问）（直接内存访问）DMA控制器（控制器（direct-memory access）：直接操作内存总线，无需）：直接操作内存总线，无需主主CPU的帮助即可以将地址放到总线以开始传输的帮助即可以将地址放到总线以开始传输DMA控制器与设备控制器之间的握手控制器与设备控制器之间的握手0当有数据需要传输时，设备控制器通过当有数据需要传输时，设备控制器通过D

14、MA-request线发送信号线发送信号0上述信号导致上述信号导致DMA控制器抓住内存总线，并在内存地址总线上放控制器抓住内存总线，并在内存地址总线上放上所需地址，并通过上所需地址，并通过DMA-acknowledge线发送信号线发送信号0当设备控制器收到当设备控制器收到DMA-acknowledge信号时，就可以向内存传信号时，就可以向内存传输数据，并清除输数据，并清除DMA-request请求信号请求信号0当整个传输完成，当整个传输完成，DMA控制器中断控制器中断CPU优点：将大量传输工作下交给优点：将大量传输工作下交给DMA控制器，能够减轻控制器，能够减轻CPU负担，改负担，改善系统性能

15、善系统性能14思考思考 在设备和内存传送数据的方式中，在设备和内存传送数据的方式中，DMADMA方式与中断方式的方式与中断方式的区别是什么？区别是什么？DMA方式：方式：一个数据块传送完后发中断，一个数据块传送完后发中断，DMA控制器负责数据传送控制器负责数据传送中断方式：中断方式：数据缓冲寄存器满时发中断，数据缓冲寄存器满时发中断，CPU负责数据传送负责数据传送1513.3 I/O应用接口应用接口 问题：从详细而不同的问题：从详细而不同的I/O设备中抽象出一些通用类型，设备中抽象出一些通用类型，每个通用类型都可以通过一组标准函数（即接口）来访问每个通用类型都可以通过一组标准函数（即接口）来访

16、问 设备的差异设备的差异0字符流或块字符流或块0顺序或随机访问顺序或随机访问0同步或异步同步或异步0共享或专用共享或专用0操作速度操作速度0读写、只读、只写读写、只读、只写16一些基本概念一些基本概念块设备接口访问：内存映射文件访问（通过内存中的字节数组来访块设备接口访问：内存映射文件访问（通过内存中的字节数组来访问磁盘存储）问磁盘存储）字符流接口访问：键盘字符流接口访问：键盘网络设备：网络套接字接口网络设备：网络套接字接口时钟与定时器通常具有如下基本函数时钟与定时器通常具有如下基本函数0获取当前时间获取当前时间0获取已经逝去的时间获取已经逝去的时间0设置定时器以在设置定时器以在T时触发操作时

17、触发操作X阻塞阻塞I/O：应用程序发出阻塞系统调用，执行就被终止：应用程序发出阻塞系统调用，执行就被终止非阻塞非阻塞I/O：应用程序发出非阻塞系统调用，执行不会被终止：应用程序发出非阻塞系统调用，执行不会被终止异步系统调用：不必等待异步系统调用：不必等待I/O完成就可以立即返回，应用程序继续执完成就可以立即返回，应用程序继续执行其代码行其代码1713.4 I/O内核子系统内核子系统I/O调度调度定义：确定一个好的顺序来执行一组定义：确定一个好的顺序来执行一组I/O请求请求优点优点0 能够改善系统整体性能能够改善系统整体性能0 能在进程之间公平的共享设备访问能在进程之间公平的共享设备访问0 能减

18、少能减少I/O完成所需要的平均等待时间完成所需要的平均等待时间182、缓冲、缓冲作用：用来保存在两设备之间或在设备和应用程序之间所传输数据作用：用来保存在两设备之间或在设备和应用程序之间所传输数据的内存区域的内存区域采用缓冲的理由采用缓冲的理由0处理数据流的生产者和消费者之间的速度差异处理数据流的生产者和消费者之间的速度差异0协调传输数据大小不一致的设备协调传输数据大小不一致的设备0应用程序应用程序I/O的的拷贝语义拷贝语义拷贝语义：操作系统保证要写入磁盘的数据就是拷贝语义：操作系统保证要写入磁盘的数据就是write系统调用发生系统调用发生时的版本，而无需考虑应用程序缓冲区随后发生的变化时的版

19、本，而无需考虑应用程序缓冲区随后发生的变化缓冲类型缓冲类型0单缓冲单缓冲0双缓冲双缓冲0环形缓冲环形缓冲0缓冲池缓冲池193、高速缓存（、高速缓存（cache） 作用作用0可以保留数据拷贝的高速内存可以保留数据拷贝的高速内存0高速缓存拷贝的访问比原始数据访问更为高效高速缓存拷贝的访问比原始数据访问更为高效 缓冲与高速缓存的差别缓冲与高速缓存的差别0缓冲只保留数据仅有的一个现存拷贝缓冲只保留数据仅有的一个现存拷贝0高速缓存只是提供了一个驻留在其他地方的数据的一高速缓存只是提供了一个驻留在其他地方的数据的一个高速拷贝个高速拷贝204、假脱机、假脱机（spool）与设备预留与设备预留 Spool：用

20、来保存设备输出的缓冲，这些设备（如打印机：用来保存设备输出的缓冲，这些设备（如打印机）不能接收交叉的数据流）不能接收交叉的数据流 工作过程（以打印机为例）工作过程（以打印机为例）0应用程序的输出先是假脱机到一个独立的磁盘文件上应用程序的输出先是假脱机到一个独立的磁盘文件上0当应用程序完成打印时，假脱机系统将对相应的待送当应用程序完成打印时，假脱机系统将对相应的待送打印机的假脱机文件进行排队打印机的假脱机文件进行排队0假脱机系统一次拷贝一个已排队的假脱机文件到打印假脱机系统一次拷贝一个已排队的假脱机文件到打印机上机上 假脱机是一种操作系统可以用来协调并发输出的方法假脱机是一种操作系统可以用来协调

21、并发输出的方法215、错误处理、错误处理 错误类型错误类型0短暂（网络过载）：操作系统可以进行弥补短暂（网络过载）：操作系统可以进行弥补0永久（磁盘控制器缺陷）：操作系统不可能从中恢复永久（磁盘控制器缺陷）：操作系统不可能从中恢复 错误处理方法错误处理方法0I/O系统调用返回一位调用状态信息，用以表示成功或系统调用返回一位调用状态信息，用以表示成功或失败失败0维护一个出错日志信息，供主机查询（少用）维护一个出错日志信息，供主机查询（少用）22总结总结I/O子系统的功能子系统的功能 文件和目录的命名空间的管理文件和目录的命名空间的管理 文件和目录的访问控制文件和目录的访问控制 操作控制操作控制 文件系统空间分配文件系统空间分配 设备分配设备分配 缓冲、高速缓存和假脱机缓冲、高速缓存和假脱机 I/O调度调度 设备状态监控、错误处理、失败恢复设备状态监控、错误处理、失败恢复 设备驱动程序的配置和初始化设备驱动程序的配置和初始化2313.5 把把I/O操作转换成硬件操作操作转换成硬件操作已在已在 bufferbuffer中中