计算机操作系统10

1、 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 三、输入/输出软件中断处理程序中断处理程序设备驱动程序设备驱动程序与设备无关的与设备无关的I/OI/O软件软件用户层的输入用户层的输入/ /输出软件输出软件1. 1. 层次结构：层次结构： 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 进行进行I/OI/O调用：格式化调用：格式化I/OI/O执行执行I/OI/O操作操作命名、保护、阻塞、缓冲、分命名、保护、阻塞、缓冲、分配配I/OI/O结束时，唤醒设备服务子程结束时，唤醒设备服务子程序序设置设备寄存器、检测状态设置设备寄存器、检测状态4-4-用户进程用户进程3-3-设备

2、无关软件设备无关软件2-2-设备设备驱动程驱动程序序硬硬 件件设备服务子程序设备服务子程序1-1-中断处理程序中断处理程序I/OI/O请求请求I/OI/O应答应答 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （1 1）用户进程层用户进程层执行执行输入输出系统调用输入输出系统调用，对，对I IO O数数据进行格式化，为假脱机输入输出作准备据进行格式化，为假脱机输入输出作准备（2 2）独立于设备的软件独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配护、成块处理、缓冲技术和设备分配（3 3）设备驱动程序设备驱动程序设置设备寄存器、检查设

3、备的执设置设备寄存器、检查设备的执行状态行状态（4 4）中断处理程序中断处理程序负责负责I IO O完成时，唤醒设备驱动完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理程序进程，进行中断处理（5 5）硬件层硬件层实现物理实现物理I IO O的操作的操作 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 程序直接控制方式程序直接控制方式 中断方式中断方式 DMA DMA方式方式 通道控制方式通道控制方式2. 数据传送控制方式： 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 1)程序直接控制方式(循环I/O测试方式) 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 否

4、否外围设备外围设备做接收或发送数据准备做接收或发送数据准备接收到接收到startstart命令命令标志触发器置标志触发器置“done”done”等待等待CPUCPU来的下条指令来的下条指令准备完毕？准备完毕？是是否否CPUCPU发发startstart命令命令等等 待待执行下条指令执行下条指令开始数据传送开始数据传送设备标志触发设备标志触发器为器为done”done”？是是( (a)a)( (b)b) 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 2)2)中断方式中断方式 为了解决为了解决程序控制程序控制I/OI/O方法方法的主要问题的主要问题 应该让应该让处理器从轮询任务处理器

5、从轮询任务中解放出来中解放出来 使使I/OI/O操作和指令执行操作和指令执行并行并行起来起来 具体作法：具体作法： 当当I/OI/O处理单元准备好与设备交互的时候处理单元准备好与设备交互的时候 通过物理信号通知处理器，即通过物理信号通知处理器，即中断处理器中断处理器 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 I/OI/O控制器控制器1 1I/OI/O控制器控制器n nI/OI/O设备设备1 1I/OI/O设备设备n n地址线地址线数据线数据线控制线控制线intintCPUCPU内存内存startstart启动位启动位中断位中断位信号线信号线控制状态寄存器控制状态寄存器数据缓冲

6、寄存器数据缓冲寄存器 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 中断控制方式的处理过程中断控制方式的处理过程接收到接收到CPUCPU发来的发来的startstart指令指令准备数据并将其准备数据并将其置入缓冲寄存器置入缓冲寄存器缓冲寄存器满吗？缓冲寄存器满吗？控制器发中断信号控制器发中断信号向设备发向设备发startstart指令指令将中断允许位置将中断允许位置1 1调度程序调度其调度程序调度其他进程他进程其他进程执行其他进程执行收到中断信号了吗？收到中断信号了吗？中断处理中断处理被中断进程执行被中断进程执行否否否否是是设备设备CPUCPU 北北 京京 林林 业业 大大 学学

7、 信信 息息 学学 院院 3)DMA方式DMADMA方式下的数据传输方式下的数据传输 CPU内存内存计数计数系统总线系统总线内存地址内存地址计数计数磁盘磁盘控制器控制器驱动器驱动器缓冲器缓冲器DMA寄存器寄存器 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 DMADMA方式方式否否CPUCPU发发startstart命令命令内存地址内存地址 内存始址寄存器内存始址寄存器传送字节数传送字节数字节计数器字节计数器允许中断位与启动位置允许中断位与启动位置1 1当前进程被阻塞，当前进程被阻塞，调度程序调度其他进程运行调度程序调度

8、其他进程运行被调度的进程执行被调度的进程执行接收到中断接收到中断信号吗？信号吗？是是转中断处理转中断处理设备设备启动设备准备数据启动设备准备数据DMADMA控制器接收到控制器接收到startstart指令指令缓冲寄存器内容入内存缓冲寄存器内容入内存改变传送字节数计数器改变传送字节数计数器与内存地址寄存器内容与内存地址寄存器内容否否传送字节数传送字节数0 0？吗？吗？数据入数据缓冲寄存器数据入数据缓冲寄存器发中断信号发中断信号停止停止I/OI/O操作操作是是 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 DMA方式与中断的主要区别n中断方式中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求

9、，是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPUCPU进行中断处理进行中断处理 DMADMA方式方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求时要求CPUCPU进行中断处理进行中断处理 大大减少了大大减少了CPUCPU进行中断处理的次数进行中断处理的次数n中断方式中断方式的数据传送是由的数据传送是由CPUCPU控制完成的控制完成的 DMADMA方式方式则是在则是在DMADMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPUCPU控制控制完成的完成的 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 通道相当于一个通道相当于一个功能简单的处理机功能简单的处

10、理机，包含通道，包含通道指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序操作），并可执行用这些指令编写的通道程序n通道运算控制部件通道运算控制部件通道地址字通道地址字 CAWCAW： 记录通道程序在内存中的地址记录通道程序在内存中的地址通道命令字通道命令字 CCWCCW： 保存正在执行的通道指令保存正在执行的通道指令通道状态字通道状态字 CSWCSW： 存放通道执行后的返回结果存放通道执行后的返回结果通道数据字通道数据字 CDWCDW：存放传输数据存放传输数据 通道和通道和CPUCPU共用内存，通过周期窃取方式取得共用内存

11、，通过周期窃取方式取得4）通道 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 n通道命令及格式通道命令及格式 用于用于I/OI/O操作的命令主要有两种：操作的命令主要有两种：n I/OI/O指令：指令：启动通道程序启动通道程序n 通道命令：通道命令：对对I/OI/O操作进行控制操作进行控制读、反读、写、测试设备状态的读、反读、写、测试设备状态的数据传输命令数据传输命令用于用于设备控制的命令设备控制的命令（磁带反绕、换页）（磁带反绕、换页）实现通道程序内部控制的实现通道程序内部控制的转移命令转移命令 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 n工作原理工作原理 C

12、PUCPU：执行用户程序，当遇到执行用户程序，当遇到I/OI/O请求请求时，可根据该请求时，可根据该请求生成生成通道程序放入内通道程序放入内存（也可事先编好存（也可事先编好放入放入内存），并将该内存），并将该通道程序的首地址放入通道程序的首地址放入CAWCAW中；之后执行中；之后执行“启动启动I/OI/O”指令，启动通道工作指令，启动通道工作通道地址字通道地址字CAW -CAW -首地址寄存器首地址寄存器通道命令字通道命令字CCW -CCW -控制寄存器控制寄存器通道状态字通道状态字CSW -CSW -状态寄存器状态寄存器通道数据字通道数据字CDW -CDW -数据寄存器数据寄存器 北北 京京

13、 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 通道：通道：接收到接收到“启动启动I/O”I/O”指令指令后，从后，从CAWCAW中取出通道程序的首地址，并根据首中取出通道程序的首地址，并根据首地址地址取出第一条指令放入取出第一条指令放入CCWCCW中，同时中，同时向向CPUCPU发回答信号发回答信号，使，使CPUCPU可继续执行其他可继续执行其他程序，而通道则开始执行通道程序，完程序，而通道则开始执行通道程序，完成传输工作。成传输工作。 当当通道传输完成最后一条指令通道传输完成最后一条指令时，向时，向CPUCPU发发I/OI/O中断中断，并且通道停止工作。，并且通道停止工作。CPUCPU接

14、收中断信号，从接收中断信号，从CSWCSW中取得有关信息中取得有关信息，决定下一步做什么。决定下一步做什么。 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 通道连接：通道连接：一个通道可连接多个控制器，一一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接 主要目的主要目的是启动外设时：是启动外设时：提高了控制器效率提高了控制器效率提高可靠性提高可靠性提高并行度提高并行度通道连接 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大

15、大 学学 信信 息息 学学 院院 3. 中断处理技术n指令执行的过程中，外部设备或计算机内部可能指令执行的过程中，外部设备或计算机内部可能会发来会发来急需处理的信号急需处理的信号，需要处理机暂停正在执，需要处理机暂停正在执行的程序，转去执行相应的紧急事件，待处理完行的程序，转去执行相应的紧急事件，待处理完毕再返回原处继续执行，这一过程称为毕再返回原处继续执行，这一过程称为中断中断。用户程序用户程序.指令指令i i指令指令i+1i+1中断中断中断处理中断处理程序程序中断执行过程中断执行过程 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 中断处理时的指令执行周期 开始开始读入下读入下

16、一条指令一条指令执行执行当前指令当前指令结束结束允许允许中断吗？中断吗？检查检查中断位中断位读入中断读入中断处理指令处理指令YN 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 关中断关中断保存被中断现场保存被中断现场分析中断原因分析中断原因转中断处理子程序转中断处理子程序执行中断处理子程序执行中断处理子程序恢复现场恢复现场开中断开中断返回中断点返回中断点中断处理过程中断处理过程 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 4.设备驱动程序设备设备密切相关的代码密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动放在设备驱动程序中，每个设备驱动程序程序处理一种处理一种设备

17、类型设备类型每每一个一个控制器都设有控制器都设有一个或多个一个或多个设备寄存器，用来存放向设备寄存器，用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令，设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令，并监督它们正确执行并监督它们正确执行设备驱动程序的设备驱动程序的任务是接收来自与任务是接收来自与设备无关的上层软件设备无关的上层软件的的抽象请求，并执行这个请求抽象请求，并执行这个请求。在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后，系统有在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后，系统有两两种处理方式种处理方式，多数情况下，执行设备驱动程序的进程必须，多数情况下，执行设备驱动程序的进程必

18、须等待命令完成，这样，在命令开始执行后，它阻塞自已，等待命令完成，这样，在命令开始执行后，它阻塞自已，直到中断处理时将它解除直到中断处理时将它解除阻塞阻塞为止。而在其它情况下，命为止。而在其它情况下，命令执行不必延迟就很快完成令执行不必延迟就很快完成 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 用户进程用户进程文件系统文件系统设备驱动程序设备驱动程序设备控制器设备控制器设备本身设备本身驱动程序所处地位用户进程请求设备服务的流程用户进程请求设备服务的流程 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 5.设备独立的软件 虽然虽然I IO O软件中软件中一部一部分分是

19、设备专用的，但是设备专用的，但大部分大部分软件是与设备软件是与设备无关的。设备驱动程无关的。设备驱动程序与设备独立软件之序与设备独立软件之间的间的确切界限是依赖确切界限是依赖于具体系统于具体系统的的 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 1.1.独立于设备的软件的基本任务是独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要实现所有设备都需要的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口2.2.如何给文件和设备这样的如何给文件和设备这样的对象命名对象命名是操作系统中的一是操作系统中的一个主要课题。独立于设备的软件负责把设备的符号名个主要课题

20、。独立于设备的软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上映射到正确的设备驱动上（linuxlinux上文件映射）上文件映射）3.3.设备保护：系统防止无权存取设备的用户存取设备设备保护：系统防止无权存取设备的用户存取设备4.4.不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。设备独立软件设备独立软件向较高层软件向较高层软件掩盖掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸。这一事实并提供大小统一的块尺寸。它可将若干扇区合成一个逻辑块。较高层的软件只与它可将若干扇区合成一个逻辑块。较高层的软件只与抽象设备抽象设备打交道，打交道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长独立于物理扇区的尺寸而使用等

21、长的逻辑块的逻辑块5.5.缓冲技术缓冲技术6.6.设备分配设备分配7.7.出错处理出错处理 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 6.用户层的IO软件Z尽管大部分尽管大部分I IO O软件都包含在操作系统中，但仍软件都包含在操作系统中，但仍有有一小部分一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程，是由与用户程序连接在一起的库过程，甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，包括包括I IO O系统调用，通常由库过程实现系统调用，通常由库过程实现Z这些过程所做的工作只是这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参将系统调用时所用的参数放在合

22、适的位置，数放在合适的位置，由其它的由其它的I IO O过程实际实现过程实际实现真正的操作真正的操作 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 7.设备分配设备分配与回收设备分配与回收 当某进程向系统提出当某进程向系统提出I/OI/O请求时，设备分配程序请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换数据传输通路，以供主机和设备间信息交换n强调强调 设备独立性设备独立性 即：不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的即：不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的运行运行, , 向用户

23、屏蔽物理设备向用户屏蔽物理设备, , 呈现给用户一个操作简单呈现给用户一个操作简单的逻辑设备的逻辑设备n强调强调 抽象的抽象的I/O I/O 操作操作 即：设计一类通用的即：设计一类通用的I/OI/O指令，它们的含义对不同类型指令，它们的含义对不同类型设备作不同解释，而且，在操作系统中，提供了若干设备作不同解释，而且，在操作系统中，提供了若干I/OI/O系统调用，由系统将抽象的系统调用，由系统将抽象的I/O I/O 操作映射到专门的操作映射到专门的设备驱动程序设备驱动程序 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 设置数据结构：n设备控制表设备控制表DCTDCTn系统设备表系

24、统设备表SDTSDTn控制器表控制器表COCTCOCTn通道控制表通道控制表CHCTCHCT 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 表目表目1 1表目表目i i设备类型设备类型设备标识设备标识获得设备的进程获得设备的进程DCTDCT指针指针 系统设备表系统设备表STDSTD控制器标识控制器标识控制忙控制忙/ /闲标记闲标记CHCTCHCT指针指针控制器等待队列首控制器等待队列首控制器等待队列尾控制器等待队列尾COCTCOCT 通道标识通道标识通道忙通道忙/ /闲标记闲标记通道等待队列首通道等待队列首通道等待队列尾通道等待队列尾CHCTCHCT 设备类型设备类型设备标识设备

25、标识设备忙设备忙/ /闲标记闲标记COCTCOCT指针指针设备等待队列首设备等待队列首设备等待队列尾设备等待队列尾驱动程序地址驱动程序地址DCTDCT 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 设备分配原则设备分配原则设备分配策略设备分配策略静态分配静态分配动态分配动态分配设备使用率低设备使用率低有可能造成死锁有可能造成死锁先请求先分配先请求先分配优先级高者先分配优先级高者先分配 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 设备分配流程图设备分配流程图由进程由进程P P来的来的I/OI/O请请求求搜索搜索SDTSDT找到找到DCTDCT指针指针按分配策略选取按

26、分配策略选取占据该设备的进程占据该设备的进程进程进程P P被选中被选中？查查DCTDCT该设备忙？该设备忙？检查该设备分配给检查该设备分配给进程进程P P的安全性的安全性安全吗？安全吗？该设备分配给进程该设备分配给进程P PA A按分配策略选取按分配策略选取占据该设备的进程占据该设备的进程进程进程P P按分配策略按分配策略入入I/OI/O等待队列等待队列进程进程P P等待该设备空等待该设备空闲闲是是是是否否否否是是否否进程进程P P等待控制器等待控制器搜索搜索DCTDCT指针，指针，找到找到COCTCOCT指针指针控制器忙吗控制器忙吗？A A分配控制器给进程分配控制器给进程P P搜索搜索COC

27、TCOCT找到找到CHCTCHCT指针指针通道忙？通道忙？分配通道给进程分配通道给进程P P启动启动I/OI/O进程进程P P等待通道等待通道是是是是否否否否 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 I/OI/O系统的设备分配系统的设备分配按如下步骤实施设备分配：按如下步骤实施设备分配：(1)(1) 分配设备。分配设备。 (2)(2) 分配控制器。分配控制器。 (3)(3) 分配通道分配通道。 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 8. I/O控制中断原因分析中断原因分析唤醒中断唤醒中断处理程序处理程序I/OI/O请求设备请求设备设备分配程序设备分配程

28、序缓冲区管理缓冲区管理中断响应中断响应启动启动I/OI/O指令、设备驱动指令、设备驱动程序或通道程序程序或通道程序I/OI/O控制控制 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 I/O控制的实现I/OI/O控制过程在系统中可以按三种方式实现控制过程在系统中可以按三种方式实现作为请求作为请求I/OI/O操作的进程的一部分实现操作的进程的一部分实现作为当前进程的一部分实现作为当前进程的一部分实现I/OI/O控制由专门的系统进程控制由专门的系统进程 I/OI/O进程完成进程完成：每类每类( (个个) )设备设一专门的设备设一专门的I/OI/O进程，且该进程只能进程，且该进程只能在系

29、统态下执行在系统态下执行整个系统设一整个系统设一I/OI/O进程，全面负责系统的数据传送进程，全面负责系统的数据传送工作工作每类每类( (个个) )设备设一个专门的设备设一个专门的I/OI/O进程，但该进程既进程，但该进程既可在用户态也可在系统态下执行可在用户态也可在系统态下执行 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 9.缓冲技术（1 1）缓冲技术的引入）缓冲技术的引入: : 凡是数据到达和离凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术 在操作系统中采用缓冲是为了实现数在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的据的I/OI/O操作，以缓解操作，以缓解CPUCPU与外部设备之与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率n减少了减少了I/OI/O设备对处理器的中断请求次数设备对处理器的中断请求次数n简化了中断机制简化了中断机制n节省了系统开销节省了系统开销 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （2 2）缓冲的种类）缓冲的种类