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第13章 I/O 系统

第13章 I/O 系统. I/O 设备的多样性 Os 管理和控制 I/O 操作和 I/O 设备。. 13.1 I/O 管理－ 概述. 外设管理目的 提高效率： 提高 I/O 访问效率，匹配 CPU 和多种不同处理速度的外设 方便使用： 方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用 方便控制： 方便 OS 内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型 外设管理功能 提供设备使用的用户接口 ：命令接口和编程接口 设备分配和释放： 使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。 设备的访问和控制： 包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。

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第13章 I/O 系统

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Presentation Transcript

  1. 第13章 I/O系统 I/O设备的多样性 Os管理和控制 I/O操作和I/O设备。

  2. 13.1 I/O管理－概述 • 外设管理目的 • 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设 • 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用 • 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型 • 外设管理功能 • 提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口 • 设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。 • 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。 • I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率

  3. 13.1 I/O管理－外部设备类型和特征 • 按交互对象分类 • 人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机 • 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器 • 计算机间的通信设备：网卡、调制解调器 • 按交互方向分类 • 输入（可读）：键盘、扫描仪 • 输出（可写）：显示设备、打印机 • 输入/输出（可读写）：磁盘、网卡 • 按外设特性分类 • 使用特征：存储、输入/输出、终端 • 数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘) • 信息组织特征：单个字符或数据块 • 字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备，以字符为单位存储、传输信息；不可寻址 • 块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址

  4. 13.1 I/O管理－外部设备类型和特征 • 按资源分配角度分类 • 独占设备 • 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。 • 共享设备 • 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。如硬盘 • 虚拟设备 • 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备.（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术——用硬盘模拟输入输出设备） • 从程序使用角度分 • 逻辑设备:用户程序中使用的设备 • 物理设备：实际完成I/O操作的设备

  5. 13.2 I/O控制技术 • 程序控制I/O（轮询）：CPU代表进程给I/O模块发送一个命令，CPU进入忙等待（输入输出完全由CPU控制） • 中断驱动I/O： CPU代表进程给I/O模块发送一个命令，然后CPU继续执行后续指令; 当I/O模块完成后，CPU被该模块（CPU和I/O设备可以共同工作）中断。 • 直接存储器存取(DMA)：CPU给DMA模块发请求，只有当DMA将整个数据块传送结束后，CPU才被中断（数据在内存和外设之间传输时不需要CPU干预）。

  6. 设备绝对号和相对号 • 设备绝对号：计算机系统为每一台设备确定的编号，用来区分和识别设备； • 用户在编写程序时不能通过设备的绝对编号来使用设备 • 设备类型号：操作系统为每类设备规定的一个编号 • 设备相对号：用户自己规定的所用的同类设备中的第几台。 • 如Unix中，rfd0和rfd1分别表示第1个和第2个软盘驱动器；

  7. 设备绝对号和相对号 • 设备的指定方式 • 设备绝对号 • 设备类型号+设备相对号 • 用户程序中提出使用设备的申请时，使用系统规定的设备类型号和用户自己规定的设备相对号，由操作系统进行地址转换，变成系统中的设备绝对号；

  8. 13.3 设备管理系统的组织 • I/O软件的设计目标： • 效率：大多数I/O设备慢，I/O操作一般是系统瓶颈，很大程度上影响系统的性能和吞吐量。因此要改善I/O的有效性，采用多道程序设计、交换。目前比较关注磁盘I/O。 • 通用性：设备种类、特点和性能千差万别；要求能够以一种一致的方式来管理所有设备－一致的外部接口，很难做到通用，但希望能够用统一的方法处理所有设备，用一种层次化的，模块化的方法设计I/O功能。 • 能够在低层例程中隐藏大部分设备I/O的细节， • 使得用户进程和OS高层可以通过一些通用的功能，如读、写、打开、关闭等查看I/O设备。 • 设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 • 统一命名。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单的字符串或一个整数，不应依赖于设备

  9. 13.3 设备管理系统的组织 • I／O软件的基本思想是按分层的思想构成: • 较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性， • 较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口

  10. User Process Logical I/O Communications Architecture Device I/O Scheduling & Control(Device Driver) Hardware 13.3 设备管理分层模型 返回

  11. 13.3 设备管理分层模型 • 逻辑I/O：将设备当作一个逻辑资源，不涉及实际的设备控制的细节: • 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, • 针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈； • 针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制； • 设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。用户命令到设备操作序列的转换。请求的操作和数据被转换成适当的I/O指令序列、通道命令和控制器指令。可以用I/O缓冲提高I/O效率 • 调度和控制：是I/O模块和设备硬件真正发生交互的软件层，直接面对硬件设备的控制细节。如I/O操作的排队，设备控制和状态维护、中断处理。这部分通常体现为设备驱动程序；

  12. I/O系统的层次结构及每层的主要功能 进行I/O调用，格式化I/O; Spooling 命名，保护，阻塞，缓冲，分配 建立设备寄存器；检查状态 当I/O结束时，唤醒驱动器 执行I/O操作

  13. I/O系统的层次结构及每层的主要功能 • 用户进程层执行输入输出系统调用，对I/O数据进行格式化 • 独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配；(逻辑I/O) • 设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态 • 中断处理程序负责I／O完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理 • 硬件层实现物理I／O的操作

  14. 13.4 缓冲 • 缓冲技术的基本思想：在CPU和外设之间设置缓冲区，用于暂存CPU与外设之间交换的数据，从而缓和CPU与外设速度不匹配的矛盾。 • 缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设（多级缓冲机制） • 硬件缓冲，如I/O控制器中的数据缓冲寄存器 • 软件缓冲：在内存画出一个具有n个单元的专用缓冲区。 • 根据方向：分为输入缓冲和输出缓冲 • 根据用途：分为专用缓存（为一个设备独占，如键盘缓存）和公用缓存（为多个设备公用） 缓冲区 外设 CPU

  15. 13.4 缓冲 • 无缓冲时问题分析：设备直接向进程地址空间传送数据(如用户从磁带中读数据块的操作），则进程要么忙等待，要么阻塞。 • 如果用忙等待方式，则浪费大量CPU时间； • 如果是阻塞方式，则进程阻塞在设备的I/O请求队列中。这时，不能将进程全部换出，还可能出现单进程死锁。（进程在等待I/O操作结果之前被换出，等待I/O事件，而I/O操作也被阻塞，等待该进程被换入。）

  16. 13.4 缓冲－用途 • 缓冲技术的用途 • 可以在发出请求之前就开始执行输入操作（预输入），在发出请求一段时间后才开始执行输出操作（缓输出）。 • 匹配CPU或用户应用进程与外设的不同处理速度 • 减少对CPU的中断次数：提高CPU和I/O设备之间以及各个I/O设备之间的处理并行性。 • 多道程序环境中提高OS效率和单个进程的工具（技术）之一。

  17. 13.4 缓冲－单缓冲区 • 单缓冲(single buffer)：当一个用户进程发出I/O请求时，OS给该操作分配一个位于主存中系统部分的缓冲区。以面向块的设备为例：输入先传送至系统缓冲区，当传送完成时，进程将该块移动到用户空间，并立即请求另一块－预读(对于输出，则称为延迟写）。 • 好处： • 用户可以在下一块数据正在读入时，处理这块数据(用户进程处理某个数据块的同时，下一个数据块正在读入）。由于输入发生功能在系统存储空间而不是用户进程存储区，因此OS可以将该进程换出。 • 增加了OS的逻辑复杂度：OS必须直到用户进程的缓冲区的分配情况，交换逻辑受到影响。

  18. 13.4 缓冲－双缓冲和循环缓冲 • 双缓冲(double buffer)：两个缓冲区，CPU和外设都可以连续处理而无需等待对方。当一个进程往一个缓冲区中写数据时（取数据）时，OS正在清空（填充）另一个缓冲区。 • 循环缓冲(circular buffer)：多个缓冲区，CPU和外设的处理速度可以相差较大，如这个进程突然快速执行了大量的I/O。

  19. 13.4 I/O 缓冲

  20. 13.4 I/O 缓冲

  21. 13.4 设备分配 • 由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法： • 1)在进程间切换使用外设，如键盘和鼠标； • 2)通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。

  22. 13.4.1 设备分配－数据结构 • 系统设备表(SDT, System Device Table)：系统内一张，反映系统中设备资源的状态，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。 • 设备控制表(DCT, Device Control Table)：每个设备一张，描述设备特性和状态。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。 • 控制器控制表(COCT, COntroller Control Table)：每个设备控制器一张，描述I/O控制器的配置和状态。如DMA控制器所占用的中断号、DMA数据通道的分配。 • 通道控制表(CHCT, CHannel Control Table)：每个通道一张，描述通道工作状态。

  23. 各表间的关系 系统设备表 设备控制表（DCT） 控制器控制表COCT 通道控制表CHCT

  24. 13.4.2 设备分配－原则 • 设备分配的原则 • 合理使用外设(公平和避免死锁) • 提高设备利用率 • 应用程序与设备无关 • 与设备分配有关的设备属性： • 独享设备：打印机等； • 共享设备：磁盘、网卡等； • 设备分配技术： • 独占分配：不会出现死锁；但设备利用率不高； • 共享分配：利用率高，但控制复杂 • 虚拟分配：利用共享设备去实现独占设备的功能；有利于提高设备利用率

  25. 13.4.2 设备分配－算法 • 先来先服务(FCFS)：按I/O请求的先后顺序，排成I/O请求命令队列，队首指向被请求设备的DCT；按FCFS分配设备； • 基于优先级：依据进程的优先级，指定I/O请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备；

  26. 13.5 Spooling系统 • 先回顾一下设备分类问题 • 按资源分配角度分类 • 独占设备 • 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。数量有限，成为系统中的“瓶颈”资源，使进程处于阻塞状态；设备利用率比较低 • 共享设备 • 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）

  27. 13.5 Spooling系统 • 虚拟设备技术 • 通过共享型设备来模拟独占型设备的动作，使独占型设备成为共享型设备，提高设备的利用率和系统的效率。 • 实例：SPOOLing技术（Simultaneously Peripheral Operation On Line，外围设备同时联机操作)

  28. 虚拟设备 用户进程 …… 输入设备 虚拟设备 …… 输出设备 虚拟设备 用户进程 虚拟设备 输入井 …… 输出井 …… 虚拟设备

  29. 13.5 SPOOLing系统－工作原理 • 作业执行前用慢速设备将作业预先输入到输入井中，称为预输入（输入井和输出井是某共享设备（磁盘）上的一部分存储空间）。 • 作业运行后，使用数据时，从输入井中取出 • 作业执行不必直接启动外设输出数据，只需将这些数据写入输出井中 • 作业全部运行完毕，再由外设输出全部数据和信息，称为缓输出 • 实现了对作业输入、组织调度和输出的统一管理使外设在CPU直接控制下，与CPU并行工作（称为假脱机）

  30. 输入装置 通 道 外 设 输入井 输出井 通 道 输出装置 输入装置 输出装置 通 道 主机系统 输入管 输出管 理模块 理模块 SPOOLing系统

  31. 13.5 SPOOLing系统－举例 • 假设系统中全部打印机采用了Spooling技术，当某进程要求打印输出时，并不是将某台打印机分配给该进程，而是在某共享设备（磁盘）上的输出井中，为其分配一块存储区，同时为该进程的输出数据建立一个文件，该进程的输出数据实际上并未从打印机上输出，只是以文件形式输出，并输出存放在输出井中。 • 这个输出文件实际相当于虚拟的打印机。这些输出井中的文件形成了一个输出队列，然后调度输出 • 用户进程并未真正分到打印机， • 用户进程被分配的只是共享设备中的一个存储区

  32. 打印请求队列 打印机 打印 服务进程 以spooling方式使用外设 13.5 SPOOLing系统－举例 思考:以打印机为例，简述Spooling技术的工作原理，它是如何使一台打印机虚拟成多台打印机的？

  33. 13.5 SPOOLing系统－优点 • Spooling技术优点： • 高速虚拟I/O操作：应用程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩短了应用程序的执行时间。另一方面，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。 • 实现对独享设备的共享：由Spooling程序提供虚拟设备，可以对独享设备共享使用。

  34. 思考题 • 什么是缓冲？为什么要引入缓冲？ • 区分独占设备、共享设备、虚拟设备； • 理解对共享设备可同时使用的含义； • 简述实现虚拟设备的基本条件，虚拟设备的实现原理 • 解释Spooling系统及其组成；输入井和输出井的位置及作用 • 设备独立性的含义 • 设备的分配方法

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