I/O系统

 

设备管理

 


1. I/O系统的基本功能及模型


1)主要功能:


隐藏物理设备细节,方便用户
用户使用抽象的I/O命令即可
实现设备无关性,方便用户
用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备,同时也提高了OS的可移植性和易适应性。
提高处理机和设备的并行性,提高利用率:缓冲区管理
对I/O设备进行控制:控制方式、设备分配、设备处理
确保对设备正确共享:虚拟设备及设备独立性等
错误处理


2)I/O/系统的层次结构和模型


层次结构:系统中的设备管理模块分为若干个层次
层间操作:下层为上层提供服务,完成输入输出功能中的某些子功能,并屏蔽功能实现的细节。
①用户层软件
实现与用户交互的接口,用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数,对设备进行操作。
②设备独立软件
用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等,同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
③设备驱动程序
与硬件直接相关,用于具体实现系统对设备发出的操作指令,驱动I/O设备工作的驱动程序。
④中断处理程序
用于保存被中断进程的CPU环境,转入相应的中断处理程序进行处理,处理完后再恢复被中断进程的现场后,返回到被中断进程。

 

 

I/O系统接口


在I/O系统与高层接口中,根据设备类型的不同,又进一步分为若干个接口。主要包括:
块设备接口
流设备接口
网络通信接口
块设备
数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
特点
隐藏了磁盘的二维结构:块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况:每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
将抽象命令映射为低层操作:块设备接口将上层发来的抽象命令,映射为设备能识别的较低层具体操作。


字符设备:
数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址,常采用中断驱动方式。
get和put操作:
由于字符设备是不可寻址的,因而对它只能采取顺序存取方式。(用户程序)获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
in-control指令:
因字符设备的类型非常多,且差异甚大,系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们(包含了许多参数,每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能)。

网络通信接口

通过某种方式,把计算机连接到网络上。
操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口,使得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。

 

I/O系统的组成


1)I/O设备的类型


I/O设备的类型繁多,从OS的观点,按其重要的性能指标进行分类如下:
按传输速率分类:
低速、中速、高速(键盘、打印机、磁盘)
使用:存储设备、输入输出设备
按信息交换的单位分类:
块设备:有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制
字符设备:无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制
按设备的共享属性分类:
独占:打印机
共享:一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
虚拟:使一台独占设备变换为若干台逻辑设备,供给若干用户“同时使用”。
I/O设备中的接口
与控制器的接口有三种类型的信号
数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
状态信号线


2)设备控制器


设备并不直接与CPU通信
计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
控制器是CPU与I/O设备之间的接口,作为中间人接收从CPU发来的命令,并去控制I/O设备工作,以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
①基本功能
接收和识别CPU命令(控制寄存器:存放命令和参数)
标识和报告设备的状态(状态寄存器)
数据交换(数据寄存器)
地址识别(控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器)
数据缓冲(协调I/O与CPU的速度差距)
差错控制
②组成
设备控制器与处理机的接口
设备控制器与设备的接口
I/O逻辑

③处理机与设备控制器间


实现CPU与设备控制器之间的通信。
共有三类信号线:
数据线:数据线通常与两类寄存器相连接,第一类是数据寄存器;第二类是控制/状态寄存器。
地址线
控制线

3)I/O通道


①I/O通道设备的引入
设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预
(如承担了选择设备,数据转换、缓冲等功能)
但当主机的外设很多时,CPU的负担仍然很重。
在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构:“通道”
设置通道后
CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。
通道形成通道程序,执行I/O操作,完成后向CPU发中断信号。
主要目的:
建立更独立的I/O操作,解放CPU。
数据传送的独立
I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。
实际上I/O通道是一种特殊的处理机:
指令类型单一,只用于I/O操作;
通道没有内存,它与CPU共享内存
②通道类型
根据其控制的外围设备的不同类型,信息交换方式也可分为以下三种类型:
字节多路通道
数组选择通道
数组多路通道

中断机构和中断处理程序

中断在操作系统中有特殊而重要的地位,没有它就不可能实现多道程序。
中断是I/O系统最低的一层,也是设备管理的基础。


1.中断简介


⑴中断和陷入
中断:CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应,中断是由外部设备引起的,又称外中断。
陷入:由CPU内部事件所引起的中断,通常把这类中断称为内中断或陷入(trap)。
中断和陷入的主要区别:是信号的来源。
⑵中断向量表
中断向量表:为每种设备配以相应的中断处理程序,并把该程序的入口地址,放在中断向量表的一个表项中,并为每一个设备的中断请求,规定一个中断号,它直接对应于中断向量表的一个表项中。
⑶对多中断源的处理方式
①屏蔽(禁止)中断:
所有中断都将按顺序依次处理。
当处理机正在处理一个中断时,将屏蔽掉所有新到的中断,让它们等待,直到处理机已完成本次中断的处理后,处理机再去检查并处理。
优点是简单,但不能用于对实时性要求较高的中断请求。
②嵌套中断:
中断优先级:系统根据不同中断信号源,对服务要求的紧急程度的不同,它们分别规定不同的优先级。
当同时有多个不同优先级的中断请求时,CPU优先响应最高优先级的中断请求;
高优先级的中断请求,可以抢占正在运行低优先级中断的处理机,该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。

 

2.中断处理程序

 


主要工作
①进行进程上下文的切换
②对处理中断信号源进行测试
③读取设备状态
④修改进程状态
中断处理流程
测定是否有未响应的中断信号
保护被中断进程的CPU环境
转入相应的设备处理程序
中断处理
恢复CPU的现场

 

 

 

设备驱动程序


设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序,其主要任务:
接收上层软件发来的抽象I/O要求,如read、write等命令;
再把它转化为具体要求,发送给设备控制器,启动设备去执行。
反方向,它也将由设备控制器发来的信号,传送给上层软件。
1.驱动程序的功能
1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数,并将命令中的抽象要求,转换为与设备相关的低层操作序列;
(2)检查用户I/O请求的合法性,了解I/O设备的工作状态,传递与I/O设备操作有关的参数,设置设备的工作方式;
(3)发出I/O命令,如果设备空闲,便立即启动I/O设备,完成指定的I/O操作;如果设备忙碌,则将请求者挂在设备队列上等待;
(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求,并根据其中断类型,调用相应的中断处理程序进行处理。
2.设备驱动程序的特点
(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
(2)驱动程序,与设备控制器和I/O设备的硬件特性,紧密相关。
(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
(4)由于驱动程序与硬件紧密相关,因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
(5)驱动程序应允许可重入,一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。
3.设备处理方式
具体分类
(1)为每一类设备设置一个进程,专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统;
(2)在整个系统中设置一个I/O进程,专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程,分别处理系统中的输入或输出操作;
(3)不设置专门的设备处理进程,而只为各类设备设置相应的设备驱动程序,供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。
4. 驱动程序处理过程
I/O设备与控制器间的通信转换程序
了解抽象命令,了解控制器内部的寄存器结构
与硬件密切相关,每类设备配备一种驱动程序
功能:接受解释指令(有通道的系统,自动通道程序)、相关判断、发送设备命令、响应中断
特点,控制方式不同程序不同,部分固化进硬件,代码可重入。

 

I/O控制方式


程序I/O方式
中断驱动I/O方式
直接存储器访问DMA(字节—块)
I/O通道控制方式(组织传送的独立)
宗旨:减少主机对I/O控制的干预,将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

 

1)程序I/O方式


cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式,或称忙—等待方式
向控制器发送一条I/O指令;启动输入设备输入数据;把状态寄存器busy=1。
然后不断测试标志。为1:表示输入机尚未输完一个字,CPU继续对该标志测试;直到为0:数据已输入控制器数据寄存器中。
CPU取控制器中的数据送入内存单元,完成一个字的I/O 。
高速CPU空闲等待低速I/O设备,致使CPU极大浪费。
2)中断驱动I/O方式
CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
然后立即返回继续执行任务。
设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
这时CPU与I/O设备并行操作。
I/O设备输入数据中,无需CPU干预,因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。
中断方式比程序I/O方式更有效
但仍以字(节)为单位进行I/O,每当完成一个字(节),控制器便要请求一次中断。
CPU虽然可与I/O并行,但效率不高,存在频繁的中断干扰。
改进:
CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O,控制器完成后才发中断,而不是每个字节都要向CPU发中断;
多字节传输入内存过程不需要CPU搬运,由控制器控制完成(所以称直接存储器访问)——DMA(Direct Memory Access)控制方式引入

 

3)直接存储器访问DMA 方式


①该方式的特点是:
数据传输的基本单位是数据块;
所传送的数据是从设备直接送入内存的,或者直接从内存进设备;不需要CPU操作。
CPU干预进一步减少:仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时,才需CPU干预,整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预,进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。


4)I/O通道控制方式
通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器,它使主机(CPU和内存)与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作,提供一种传送通道,所以将这种部件称作“通道”。
通道 通过执行通道程序,与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
通道程序由一系列通道指令构成。
CPU指令设备驱动程序解读通道程序通道
通道指令一般包含下列信息:
操作码。规定指令所执行的操作。
内存地址。
计数。表示本指令所要操作的字节数。
通道程序结束位。用以表示程序是否结束。
记录结束标志。表示该指令是否与下条指令有关。

 

与设备无关的I/O软件


设备独立性的基本含义:
指应用程序中所使用的设备,不局限于使用某个具体的物理设备,也称为设备无关性。
为了实现设备独立性,在设备驱动程序之上设置一层软件,称为与设备无关的I/O软件,或设备独立性软件。
设备无关的软件是I/O系统最高层软件,但它和其下的设备驱动程序之间的界限,将随操作系统和设备的不同而有所差异。
用户编程时所用的设备名(逻辑上的)与实际物理设备无关;
好处:
设备分配时的灵活性
3个物理设备(如打印机),程序中申请一台打印机,执行时不拘泥必须是某台(如第2个)打印机
易于实现I/O重定向
指用于I/O操作的设备可以更换(重定向),而不必改变应用程序。 程序调试、运行中的“打印”,可通过修改逻辑设备表的显示终端,实现不同时候的不同的设备使用。

 

多道环境下,系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争,提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。
1)数据结构
2)设备分配需考虑的因素
3)设备的分配过程


1)设备分配中的数据结构


记录相应设备或控制器的状态,及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构:
设备控制表
控制器控制表
通道控制表
系统设备(总)表


2)设备分配需考虑的因素


设备固有属性:独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
设备分配算法(对不同进程的设备请求序列,如何进行选择),常采用两种:
FCFS
优先级高者优先
设备分配的安全性:进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”(安全的);允许连续I/O请求,是不安全的,此类分配方式需进行安全性检查。
设备独立性
用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备,实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。


3)独占设备的分配过程


基本分配步骤(一个有通道的例子):
分配设备:
根据请求设备名,查找SDT,找到DCT;
状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞,挂入DCT等待队列中。
分配控制器
通过1步分配设备后,从DCT找到COCT;
检查COCT状态字,若忙碌,进程PCB挂到其等待队列
分配通道
COCT找到CHCT
判断状态,…
当上述三步都通过后,才可启动设备进行数据传输
设备分配程序的改进细节
增加设备的独立性
进程使用逻辑设备名提出I/O请求。
系统从SDT中依次找下去,直到找到一个该类设备中空闲可用的进行分配。
考虑多通路情况
控制器、通道也是反复查找,直到找到一条通路。

 

 

用户层的I/O软件


小部分I/O系统软件放在了用户应用层上。
库函数(与应用程序链接)
假脱机技术(虚拟设备)


1)系统调用与库函数
不允许运行在用户态的应用进程,去直接调用运行在核心态(系统态)的OS过程。
应用进程在运行时,又必须取得OS所提供的服务。
于是:
OS在用户层中引入了系统调用,应用程序可以通过它,间接调用OS中的I/O过程,对I/O设备进行操作。


2)设备分配中的虚拟技术   —— SPOOLing技术


虚拟性是OS的四大特征之一。
多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU,实现多个用户共享一台主机;
假脱机技术
多道程序技术,专门利用程序模拟脱机I/O的外围机,完成设备I/O操作。
称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术(Simultaneaus Periphernal Operating On—Line,或称为假脱机操作)
一般进程对独占设备的需求被假脱机模拟到磁盘上。所以实现设备虚拟,多道是前提,还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。
SPOOLing系统的组成
主要有三大部分(如下图)
输入井和输出井:磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备,输出井模拟脱机输出时的磁盘。
输入缓冲区和输出缓冲区:为缓解速度矛盾,内存中开辟两大缓冲空间,输入缓冲区暂存输入设备送来的数据,再送给输入井;输出缓冲区暂存输出井送来的数据,再送输出设备。
输入进程和输出进程。
用一进程模拟脱机输入时外围设备控制器的功能,把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上;
用另一进程模拟脱机输出时外围设备控制器的功能,把数据从磁盘上传送到低速输出设备上。

 

缓冲区管理


I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率;
缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾,增加CPU和I/O设备的并行性,提高利用率。
现代OS中,几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时,都用了缓冲区。
引入缓冲区的主要原因:
缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
缓冲区数据成批传入内存,也可进一步减少对CPU的中断频率
最终目的:提高CPU和I/O设备的并行性。
使用缓冲区的方式:
1)单缓冲、多缓冲
2)循环缓冲
3)缓冲池(Buffer Pool)

 

1)单缓冲与多缓冲


单缓冲(Single Buffer)
每当用户进程发出一I/O请求时,
OS在主存中为之分配一个缓冲区。
CPU和外设轮流使用,一方处理完后等待对方处理。
单位:字符设备输入时,缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据;块设备输入则是成块数据。
双缓冲(Double Buffer)
进一步加快输入和输出速度,提高设备利用率制,也称缓冲对换(Buffer Swapping)
输入:数据送入第一缓冲区,装满后转向第二缓冲区。
读出:OS从第一缓冲区中移出数据,送入用户进程,再由CPU对数据进行计算。
两个缓冲区,CPU和外设不再针对一块交替
可能实现连续处理无需等待对方。前提是CPU和外设对一块数据的处理速度相近。而如下图情况CPU仍需等待慢速设备。

2)循环缓冲(circular buffer)

 

①循环缓冲的组成
多个缓冲区。大小相同,三种类型:
预备装输入数据的空缓冲区R
装满数据的缓冲区G
计算进程正在使用的现行工作缓冲区C
多个指针。
指示正在使用的缓冲区C的指针Current
指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg
指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti
②循环缓冲区的使用
计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。
主要就是利用指针,操作上述不同类型缓冲区
Getbuf过程:使用缓冲区时,可调用该过程
计算进程取:current=Nextg,G—>C,nextg下移一个。
输入进程放:current=nexti,R—>C,nexti下移一个
Releasebuf过程:
计算进程:C->R
输入进程:C->G
③进程同步
两个进程的控制:输入进程和计算进程并行执行,如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动,这样就可能出现两种情况:
Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度,缓冲区满,只能阻塞输入进程等计算进程取,此情况称为系统受计算限制。
Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度,缓冲区空,只能阻塞计算进程等输入进程放,此情况称为系统受I/O限制。

 

3)缓冲池(Buffer Pool)


①缓冲池的组成
对于既可输入又可输出的公用缓冲池,至少应含有下列三种类型的缓冲区:
空缓冲区;
装满输入数据的缓冲区;
装满输出数据的缓冲区;
为方便管理,将上述类型相同的缓冲区连成队列
空缓冲区队列(所有进程都可用)
输入队列(n个进程有各自的队列)
输出队列(n个进程有各自的队列)
*(队列长度不固定,根据进程实际情况灵活变动,需要多少用多少)
②缓冲区的工作方式
四种工作方式:
收容输入:Getbuf(emq),hin;输入数据填入一空缓冲区;Putbuf(inq,hin)
提取输入: Getbuf(inq),sin;从输入缓冲队列中取出一数据区的内容;Putbuf(emq,sin)
收容输出: Getbuf(emq),hout;输出数据填入一空缓冲区;Putbuf(outq,hout)
提取输出: Getbuf(outq),sout;从输出缓冲队列中取一数据区的内容;Putbuf(emq,sout)

 

磁盘存储器的性能和调度


1)磁盘性能简述


首先与格式有关
数据的组织和格式
盘片、面、磁道、扇区
为方便处理,每条磁道存储容量相同,每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。
与速度有关
磁盘类型
固定磁头(每道一磁头)
移动磁头(每盘一磁头)
访问时间的计算
寻道时间(到磁道)
旋转延迟(到扇区)
传输时间
传输时间占总时间的比例最小,磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法,减少前两项用时,使所有作业的磁盘处理时间均衡。


磁盘调度方法


对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度,使对磁盘的平均访问时间最小。
目标:使平均寻道时间最少。
算法:
FCFS
最短寻道时间优先SSTF
扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法)
循环扫描算法CSCAN
N-Step-SCAN算法
FSCAN算法

扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法)


SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问,远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进:
考虑距离的同时,更优先考虑方向
SCAN算法
规定磁头移动方向:自里向外,再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求,哪个在规定方向上距离最近,就先执行哪个。
如当前为100,后续要求55,86,95,180,165,105
先由内向外:选最近的105执行,再判断剩余的,选165,180。
再由外向内:95,86,55
循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题:
容易错过与当前磁道距离近,但方向不一致的磁道。
修改:将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后,再由里向外。
N-Step-SCAN
前述最近寻道算法共同问题:
“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上,导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。(因:高密度盘,进程的读写可能集中在某一磁道)
如现有一系列请求:
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法,从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….

 

扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法)
SSTF会导致“饥饿”现象
总选择最近的磁道访问,远磁道请求的进程会长时间得不到执行。
改进:
考虑距离的同时,更优先考虑方向
SCAN算法
规定磁头移动方向:自里向外,再自外向里移动。
后续的I/O磁道请求,哪个在规定方向上距离最近,就先执行哪个。
如当前为100,后续要求55,86,95,180,165,105
先由内向外:选最近的105执行,再判断剩余的,选165,180。
再由外向内:95,86,55
循环扫描CSCAN
SCAN的错过问题:
容易错过与当前磁道距离近,但方向不一致的磁道。
修改:将SCAN规定的移动方向改为“单向移动”
由里向外后,再由里向外。
N-Step-SCAN
前述最近寻道算法共同问题:
“磁臂粘着”——磁头静止在一个磁道上,导致其它进程无法及时进行磁盘I/O。(因:高密度盘,进程的读写可能集中在某一磁道)
如现有一系列请求:
3 3 5 2 3 3 3 2 3 3 2 3 3 4 4 5 2 3 3 3 4 4 2 3 3 3 2 2 2 3
不管哪种算法,从3开始向下执行会是
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3….2 2 2 2 2 2 … 4 4 ….