计算机系统操作白金版教程第13章 IO系统课件

股票基础

淘宝减肥产品排行榜

http://www.unx.cc/

减肥方法

/

上海舞蹈培训

总统

/

博发/

1第13章I/O系统主要内容概述I/O硬件I/O应用接口I/O内核子系统把I/O操作转换成硬件操作流性能213.1概述计算机的两个主要任务：I/O操作、计算处理操作系统在I/O方面的作用：管理和控制I/O操作和I/O设备本章涉及问题描述I/O硬件的基本特点讨论操作系统所提供的I/O服务及其为应用程序所提供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讨论UNIXSystemV的流机制讨论I/O性能问题及用来提高I/O性能的操作系统设计原则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I/O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设备驱动程序：为I/O子系统提供统一接口413.2I/O硬件计算机设备存储设备（磁盘、磁带）传输设备（网卡、调制解调器）人机交互设备（屏幕、键盘、鼠标）I/O设备：用来进行输入、输出的设备统称I/O设备I/O硬件涉及的主要概念总线控制器I/O端口及其寄存器主机与设备控制器之间的握手关系通过轮寻检测或中断的握手执行将大量传输下交给DMA控制器51、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PC总线结构（图13.1P334）PCI总线：连接处理机－内存子系统与快速设备扩展总线：连接串行、并行端口和相对较慢的设备SCSI总线：连接SCSI控制器与存储设备62、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串口控制器（简单）SCSI总线控制器（复杂）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I/O传输？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I/O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：设备与计算机通信的连接点I/O端口通常有四种寄存器状态寄存器：包含一些主机可读取的信息控制寄存器：被主机用来向设备发送命令或改变设备状态数据输入寄存器：被主机读取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（例）前提：用两个位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忙位（busybit）来显示其状态；主机通过命令寄存器中命令就绪位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下：主机不断的读取忙位，直到该位被清除主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器中写入一个字节主机设置命令就绪位当控制器注意到命令就绪位已被设置，则设置忙位控制器读取命令寄存器，并看到写入命令。它从数据输出寄存器中读取一字节，并向设备执行I/O操作控制器清除命令就绪位，清除状态寄存器的故障位以表示设备I/O成功，清除忙位以表示完成95、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直到忙位被清除的方式，称为～通常，轮询设备使用3种CPU指令读取设备寄存器逻辑AND以提取状态位根据状态位是否为0进行跳转106、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CPU轮询外设I/O是否完成，会提高效率中断：使外设通知CPU的硬件机制基本中断机制工作过程（下页图）设备控制器通过中断请求线发送信号而引起中断CPU捕获中断并派遣到中断处理程序中断处理程序通过处理设备来清除中断11设备驱动器初始化I/OCPU接收到中断，将控制权交给中断处理程序中断处理程序处理数据，从中断返回CPU继续处理被中断的任务输入准备就绪，输出完毕或出错，产生中断信号初始化I/OCPU1I/O控制器CPU执行检查指令之间的中断352674采用中断驱动的I/O循环周期12关于中断的其他问题复杂的中断处理特性（现代操作系统）在做关键处理时，能够延迟中断处理更为有效的将中断派遣到合适的中断处理程序区分中断优先级，根据紧迫程度来响应中断类型非屏蔽中断：主要用来处理如不可恢复内存错误等事件可屏蔽中断：可以由CPU在执行关键的不可中断的指令序列前加以屏蔽中断向量（interruptvector）：包含了特殊中断处理程序的内存地址中断优先级（interruptpriority）：使CPU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137、DMA控制器的握手执行（直接内存访问）DMA控制器（direct-memoryaccess）：直接操作内存总线，无需主CPU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当有数据需要传输时，设备控制器通过DMA-request线发送信号上述信号导致DMA控制器抓住内存总线，并在内存地址总线上放上所需地址，并通过DMA-acknowledge线发送信号当设备控制器收到DMA-acknowledge信号时，就可以向内存传输数据，并清除DMA-request请求信号当整个传输完成，DMA控制器中断CPU优点：将大量传输工作下交给DMA控制器，能够减轻CPU负担，改善系统性能14思考在设备和内存传送数据的方式中，DMA方式与中断方式的区别是什么？DMA方式：一个数据块传送完后发中断，DMA控制器负责数据传送中断方式：数据缓冲寄存器满时发中断，CPU负责数据传送1513.3I/O应用接口问题：从详细而不同的I/O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）来访问设备的差异字符流或块顺序或随机访问同步或异步共享或专用操作速度读写、只读、只写16一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问磁盘存储）字符流接口访问：键盘网络设备：网络套接字接口时钟与定时器通常具有如下基本函数获取当前时间获取已经逝去的时间设置定时器以在T时触发操作X阻塞I/O：应用程序发出阻塞系统调用，执行就被终止非阻塞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，应用程序继续执行其代码1713.4I/O内核子系统I/O调度定义：确定一个好的顺序来执行一组I/O请求优点能够改善系统整体性能能在进程之间公平的共享设备访问能减少I/O完成所需要的平均等待时间182、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的内存区域采用缓冲的理由处理数据流的生产者和消费者之间的速度差异协调传输数据大小不一致的设备应用程序I/O的拷贝语义拷贝语义：操作系统保证要写入磁盘的数据就是write系统调用发生时的版本，而无需考虑应用程序缓冲区随后发生的变化缓冲类型单缓冲双缓冲环形缓冲缓冲池193、高速缓存（cache）作用可以保留数据拷贝的高速内存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只保留数据仅有的一个现存拷贝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204、假脱机（spool）与设备预留Spool：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工作过程（以打印机为例）应用程序的输出先是假脱机到一个独立的磁盘文件上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假脱机是一种操作系统可以用来协调并发输出的方法215、错误处理错误类型短暂（网络过载）：操作系统可以进行弥补永久（磁盘控制器缺陷）：操作系统不可能从中恢复错误处理方法I/O系统调用返回一位调用状态信息，用以表示成功或失败维护一个出错日志信息，供主机查询（少用）22总结I/O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访问控制操作控制文件系统空间分配设备分配缓冲、高速缓存和假脱机I/O调度设备状态监控、错误处理、失败恢复设备驱动程序的配置和初始化2313.5把I/O操作转换成硬件操作已在buffer中?设备驱动程序设置寄存器，然后被阻塞直到中断发生。数据传给进程,并唤醒它。完成

或出错接受中断，唤醒设备驱动程序。2413.6流（stream）流：在设备驱动程序和用户级进程之间的全工连接流控制：队列会缓冲消息而且如果没有足够缓冲空间就不会接收消息使用流的好处：流可以提供一个框架以便模块化的递增的编写设备驱动程序和网络协议2513.7性能I/O是影响系统性能的重要因素