輸入輸出系統		
                                                        ——I/O系統

I/O系統的組成
包括：
需要用於輸入、輸出和儲存資訊的裝置；
需要相應的裝置控制器；
控制器與CPU連線的高速匯流排；
有的大中型計算機系統，配置I/O通道；

關於裝置管理
管理物件：
I/O裝置和相應的裝置控制器（I/O系統組成）
基本任務：
完成使用者提出的I/O請求，
提高I/O速率、改善I/O裝置的利用率。
為更高層程序方便使用裝置提供手段

第6章 裝置管理
I/O系統的功能、模型和介面
I/O裝置和裝置控制器
中斷機構和中斷處理程式
裝置驅動程式
與裝置無關的I/O軟體
使用者層的I/O軟體
緩衝區管理
磁碟儲存器的效能和排程

知識點
I/O系統的組成
I/O系統的軟體層次
中斷處理過程
I/O控制方式
緩衝管理、裝置分配、裝置處理
磁碟排程

1.I/O系統的功能、模型和介面
1)主要功能：
隱藏物理裝置細節，方便使用者
使用者使用抽象的I/O命令即可
實現裝置無關性，方便使用者
使用者可用抽象的邏輯裝置名來使用裝置，同時也提高了OS的可移植性和易適應性。
提高處理機和裝置的並行性，提高利用率：緩衝區管理
對I/O裝置進行控制：控制方式、裝置分配、裝置處理
確保對裝置正確共享：虛擬裝置及裝置獨立性等
錯誤處理

2)I/O/系統的層次結構和模型
層次結構：系統中的裝置管理模組分為若干個層次
層間操作：下層為上層提供服務，完成輸入輸出功能中的某些子功能，並遮蔽功能實現的細節。

I/O軟體的分層
①使用者層軟體
實現與使用者互動的介面，使用者可直接呼叫在使用者層提供的、與I/O操作有關的庫函式，對裝置進行操作。
②裝置獨立軟體
用於實現使用者程式與裝置驅動器的統一介面、裝置命名、裝置的保護以及裝置的分配與釋放等，同時為裝置管理和資料傳送提供必要的儲存空間。

③裝置驅動程式
與硬體直接相關，用於具體實現系統對裝置發出的操作指令，驅動I/O裝置工作的驅動程式。
④中斷處理程式
用於儲存被中斷程序的CPU環境，轉入相應的中斷處理程式進行處理，處理完後再恢復被中斷程序的現場後，返回到被中斷程序。

I/O軟體系統的層次
中斷處理程式
處於I/O系統的底層，直接與硬體進行互動
裝置驅動程式
處於次底層，是程序和控制器之間的通訊程式
功能：將上層發來的抽象I/O請求，轉換為對I/O裝置的具體命令和引數，並把它裝入到裝置控制其中的命令和引數暫存器中
裝置獨立性軟體
包括裝置命名、裝置分配、資料緩衝等軟體

I/O系統介面
在I/O系統與高層介面中，根據裝置型別的不同，又進一步分為若干個介面。主要包括：
塊裝置介面
流裝置介面
網路通訊介面

塊裝置介面
塊裝置
資料的存取和傳輸都是以資料塊為單位的裝置。基本特徵是傳輸速率較高、可定址。磁碟裝置的I/O常採用DMA方式。
特點
隱藏了磁碟的二維結構：塊裝置介面隱藏了磁碟地址是二維結構的情況：每個扇區的地址需要用磁軌號和扇區號來表示。
將抽象命令對映為低層操作：塊裝置介面將上層發來的抽象命令，對映為裝置能識別的較低層具體操作。

流裝置介面
字元裝置：
資料的存取和傳輸是以字元為單位的裝置。如鍵盤、印表機等。基本特徵是傳輸速率較低、不可定址，常採用中斷驅動方式。
get和put操作：
由於字元裝置是不可定址的，因而對它只能採取順序存取方式。（使用者程式）獲取或輸出字元的方法是採用get和put操作。
in-control指令：
因字元裝置的型別非常多，且差異甚大，系統以統一的方式提供了一種通用的in-control指令來處理它們（包含了許多引數，每個引數表示一個與具體裝置相關的特定功能）。

網路通訊介面
通過某種方式，把計算機連線到網路上。
作業系統必須提供相應的網路軟體和網路通訊介面，使得計算機能通過網路與網路上的其它計算機進行通訊，或上網瀏覽。

I/O裝置和裝置控制器
I/O系統的組成
包括：
需要用於輸入、輸出和儲存資訊的裝置；
需要相應的裝置控制器；
控制器與CPU連線的高速匯流排；
有的大中型計算機系統，配置I/O通道；

1）I/O裝置的型別
I/O裝置的型別繁多，從OS的觀點，按其重要的效能指標進行分類如下：
按傳輸速率分類：
低速、中速、高速（鍵盤、印表機、磁碟）
使用：儲存裝置、輸入輸出裝置
按資訊交換的單位分類：
塊裝置：有結構、速率高、可定址、DMA方式控制
字元裝置：無結構、速率低、不可定址、中斷方式控制

按裝置的共享屬性分類：
獨佔：印表機
共享：一個時刻上仍然是隻被一個程序佔用。可定址、可隨機訪問的色後備。磁碟。
虛擬：使一臺獨佔裝置變換為若干臺邏輯裝置，供給若干使用者“同時使用”。

I/O裝置中的介面
與控制器的介面有三種類型的訊號
資料訊號線(進出資料轉換、緩衝後傳送)
控制訊號線(讀\寫\移動磁頭等控制)
狀態訊號線

2）裝置控制器

裝置並不直接與CPU通訊
計算機中的一個實體——“裝置控制器”負責控制一個或多個I/O裝置，以實現I/O裝置和計算機之間的資料交換。
控制器是CPU與I/O裝置之間的介面，作為中間人接收從CPU發來的命令，並去控制I/O裝置工作，以使處理機脫離繁雜的裝置控制事務。

常作成介面卡插入計算機
可編址，不同類
控制一個裝置時只有一個地址，若連線多個裝置則含有多個裝置地址
管理的複雜性因不同裝置而異，分為字元裝置控制器、塊裝置控制器。

①基本功能
接收和識別CPU命令（控制暫存器：存放命令和引數）
標識和報告裝置的狀態（狀態暫存器）
資料交換（資料暫存器）
地址識別（控制器識別裝置地址、暫存器地址。地址譯碼器）
資料緩衝（協調I/O與CPU的速度差距）
差錯控制

②組成
裝置控制器與處理機的介面
裝置控制器與裝置的介面
I/O邏輯


I/O邏輯
通過一組控制線與處理機互動
CPU要啟動一個裝置時，
將啟動命令傳送給控制器；
同時通過地址線把地址傳送給控制器
控制器的I/O邏輯對收到的地址和命令進行譯碼，再根據所譯出的命令選擇裝置進行控制。

驅動程式把抽象的I/O命令轉換成一系列具體的命令、引數等資料；如何將上述資料裝入裝置控制器的相應暫存器？從而觸發I/O邏輯運作，實施對裝置的控制。
①利用特定的I/O指令
早期計算機中：每個控制暫存器分配一個I/O埠，用8或16位整數標記；設定一些特定I/O指令。
CPU暫存器 —> 控制器暫存器
io-store cpu-reg，dev-no，dev-reg
CPU暫存器 —>記憶體
store cpu-reg，k
②記憶體映像I/O
統一了對記憶體和對控制器的訪問的方法，簡化了I/O的程式設計。

編址不區分記憶體單元地址和裝置控制器中的暫存器地址，都採用k。
當k值處於0—n-1範圍時，被認為是記憶體地址
若k大於等於n時，被認為是某個控制器的暫存器地址。

③處理機與裝置控制器間
實現CPU與裝置控制器之間的通訊。
共有三類訊號線：
資料線：資料線通常與兩類暫存器相連線，第一類是資料暫存器；第二類是控制/狀態暫存器。
地址線
控制線

微機I/O系統中的匯流排結構
如圖所示，計算機系統中的各部件，如CPU、儲存器以及各種I/O裝置之間的聯絡，都是通過匯流排來實現的。
匯流排的效能用匯流排的“時鐘頻率”、“頻寬”和相應的匯流排“傳輸速率”等指標來衡量。

3）I/O通道

①I/O通道裝置的引入
裝置控制器已大大減少CPU對I/O的干預
（如承擔了選擇裝置，資料轉換、緩衝等功能）
但當主機的外設很多時，CPU的負擔仍然很重。
在CPU和裝置控制器之間增設一個硬體機構：“通道”
設定通道後
CPU只需向通道傳送一條I/O指令即可不再幹預後續操作。
通道形成通道程式，執行I/O操作，完成後向CPU發中斷訊號。

主要目的：
建立更獨立的I/O操作，解放CPU。
資料傳送的獨立
I/0操作的組織、管理及結束處理也儘量獨立。
實際上I/O通道是一種特殊的處理機：
指令型別單一，只用於I/O操作；
通道沒有記憶體，它與CPU共享記憶體

②通道型別
根據其控制的外圍裝置的不同型別，資訊交換方式也可分為以下三種類型：
位元組多路通道
陣列選擇通道
陣列多路通道

③“瓶頸”問題
由於通道價格昂貴，致使數量較少，使它成為I/O系統的瓶頸，進而造成系統吞吐量的下降。如下例所示：

位元組多路通道
一個通道常通過多個子通道連線多個裝置控制器
多個裝置，通過非分配型子通道以位元組為單位交叉輪流使用主通道傳輸自己的資料
主通道掃描子通道速率足夠快，子通道上的裝置速率又不太高時，一般不丟失資訊。
適用於並行、低速裝置
陣列選擇通道
針對高速裝置：分配型子通道
裝置利用子通道佔用通道後，一段時間內一直獨佔，直至裝置傳送完畢釋放。
利用率低。
陣列多路通道
結合上述兩種方式。
含多個非分配型子通道。資料傳送則按陣列方式進行。
解決“瓶頸”問題最有效的辦法便是增加裝置到主機間的通路而不增加通道，如下圖所示：

3.中斷機構和中斷處理程式
中斷在作業系統中有特殊而重要的地位，沒有它就不可能實現多道程式。
中斷是I/O系統最低的一層，也是裝置管理的基礎。

1.中斷簡介
⑴中斷和陷入
中斷：CPU對I/O裝置發來的中斷訊號的一種響應，中斷是由外部裝置引起的，又稱外中斷。
陷入：由CPU內部事件所引起的中斷，通常把這類中斷稱為內中斷或陷入（trap）。
中斷和陷入的主要區別：是訊號的來源。

⑵中斷向量表
中斷向量表：為每種裝置配以相應的中斷處理程式，並把該程式的入口地址，放在中斷向量表的一個表項中，併為每一個裝置的中斷請求，規定一箇中斷號，它直接對應於中斷向量表的一個表項中。

⑶對多中斷源的處理方式
①遮蔽（禁止）中斷：
所有中斷都將按順序依次處理。
當處理機正在處理一箇中斷時，將遮蔽掉所有新到的中斷，讓它們等待，直到處理機已完成本次中斷的處理後，處理機再去檢查並處理。
優點是簡單，但不能用於對實時性要求較高的中斷請求。

②巢狀中斷：
中斷優先順序：系統根據不同中斷訊號源，對服務要求的緊急程度的不同，它們分別規定不同的優先順序。
當同時有多個不同優先順序的中斷請求時，CPU優先響應最高優先順序的中斷請求；
高優先順序的中斷請求，可以搶佔正在執行低優先順序中斷的處理機，該方式類似於基於優先順序的搶佔式程序排程。

2.中斷處理程式

主要工作
①進行程序上下文的切換
②對處理中斷訊號源進行測試
③讀取裝置狀態
④修改程序狀態

中斷處理流程
測定是否有未響應的中斷訊號
保護被中斷程序的CPU環境
轉入相應的裝置處理程式
中斷處理
恢復CPU的現場

裝置驅動程式——最瞭解裝置控制器的人、
裝置驅動程式是I/O系統的高層與裝置控制器之間的通訊程式，其主要任務：
接收上層軟體發來的抽象I/O要求，如read、write等命令；
再把它轉化為具體要求，傳送給裝置控制器，啟動裝置去執行。
反方向，它也將由裝置控制器發來的訊號，傳送給上層軟體。

1.驅動程式的功能(
1)接收由與裝置無關的軟體發來的命令和引數，並將命令中的抽象要求，轉換為與裝置相關的低層操作序列；
(2)檢查使用者I/O請求的合法性，瞭解I/O裝置的工作狀態，傳遞與I/O裝置操作有關的引數，設定裝置的工作方式；
(3)發出I/O命令，如果裝置空閒，便立即啟動I/O裝置，完成指定的I/O操作；如果裝置忙碌，則將請求者掛在裝置佇列上等待；
(4)及時響應由裝置控制器發來的中斷請求，並根據其中斷型別，呼叫相應的中斷處理程式進行處理。

2.裝置驅動程式的特點
(1)驅動程式是與裝置無關的軟體和裝置控制器之間通訊和轉換的程式。
(2)驅動程式，與裝置控制器和I/O裝置的硬體特性，緊密相關。
(3)驅動程式與I/O裝置所採用的I/O控制方式緊密相關。
(4)由於驅動程式與硬體緊密相關，因而其中的一部分必須用匯編語言編寫。
(5)驅動程式應允許可重入，一個正在執行的驅動程式常會在一次呼叫完成前被再次呼叫。

3.裝置處理方式
具體分類
(1)為每一類裝置設定一個程序，專門用於執行這類裝置的I/O操作。這種方式比較適合於較大的系統；
(2)在整個系統中設定一個I/O程序，專門用於執行系統中所有各類裝置的I/O操作。也可以設定一個輸入程序和一個輸出程序，分別處理系統中的輸入或輸出操作；
(3)不設定專門的裝置處理程序，而只為各類裝置設定相應的裝置驅動程式，供使用者或系統程序呼叫。這種方式目前用得較多。

4. 驅動程式處理過程
   I/O裝置與控制器間的通訊轉換程式
   瞭解抽象命令，瞭解控制器內部的暫存器結構
   與硬體密切相關，每類裝置配備一種驅動程式
   功能：接受解釋指令（有通道的系統，自動通道程式）、相關判斷、傳送裝置命令、響應中斷
   特點，控制方式不同程式不同，部分固化進硬體，程式碼可重入。

5. I/O控制方式
   程式I/O方式
   中斷驅動I/O方式
   直接儲存器訪問DMA（位元組—塊）
   I/O通道控制方式（組織傳送的獨立）
   宗旨：減少主機對I/O控制的干預，將CPU從繁雜的I/O控制事物中解脫出來

1）程式I/O方式
cpu對I/O裝置的控制採取程式I/O方式，或稱忙—等待方式
向控制器傳送一條I/O指令；啟動輸入裝置輸入資料；把狀態暫存器busy=1。
然後不斷測試標誌。為1：表示輸入機尚未輸完一個字，CPU繼續對該標誌測試；直到為0：資料已輸入控制器資料暫存器中。
CPU取控制器中的資料送入記憶體單元，完成一個字的I/O 。
高速CPU空閒等待低速I/O裝置，致使CPU極大浪費。

2）中斷驅動I/O方式
CPU向相應的裝置控制器發出一條I/O命令
然後立即返回繼續執行任務。
裝置控制器按照命令的要求去控制指定I/O裝置。
這時CPU與I/O裝置並行操作。
I/O裝置輸入資料中，無需CPU干預，因而可使CPU與I/O裝置並行工作。從而提高了整個系統的資源利用率及吞吐量。
但cpu真的不需要干預麼？

中斷方式比程式I/O方式更有效
但仍以字（節）為單位進行I/O，每當完成一個字（節），控制器便要請求一次中斷。
CPU雖然可與I/O並行，但效率不高，存在頻繁的中斷干擾。
改進：
CPU下指令通知控制器完成一塊資料的I/O，控制器完成後才發中斷，而不是每個位元組都要向CPU發中斷；
多位元組傳輸入記憶體過程不需要CPU搬運，由控制器控制完成（所以稱直接儲存器訪問）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入

3）直接儲存器訪問DMA 方式
①該方式的特點是：
資料傳輸的基本單位是資料塊；
所傳送的資料是從裝置直接送入記憶體的，或者直接從記憶體進裝置；不需要CPU操作。
CPU干預進一步減少：僅在傳送一個或多個數據塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊資料的傳送是在控制器的控制下完成的。
可見DMA方式又是成百倍的減少了CPU對I/O的干預，進一步提高了CPU與I/O裝置的並行操作程度。

②DMA控制器的組成

DMA控制器由三部分組成：
主機與DMA控制器的介面；
DMA控制器與塊裝置的介面；
I/O控制邏輯。
如下頁圖。

DMA控制器中的暫存器
為實現主機與控制器之間塊資料的直接交換，必須設定如下四類暫存器：
資料暫存器DR：暫存裝置到記憶體或從記憶體到裝置的資料。
記憶體地址暫存器MAR：它存放把資料從裝置傳送到記憶體的起始的目標地址或記憶體原地址。
資料計數器DC：存放本次CPU要讀或寫的字（節）數。
命令/狀態暫存器CR：用於接收從CPU發來的I/O命令或有關控制和狀態資訊。

③DMA工作過程
CPU先向磁碟控制器傳送一條讀命令。
該命令被送到命令暫存器CR中。
同時傳送資料讀入到記憶體的起始地址，該地址被送入MAR中；
要讀資料的字數則送入資料計數器DC中；
將磁碟中的資料原地址直接送入DMA控制器的I/O控制邏輯上，按裝置狀態啟動磁頭到相應位置。
啟動DMA控制器控制邏輯開始進行資料傳送
DMA控制器讀入一個數據到資料暫存器DR中，然後傳到記憶體MAR地址中；
接著MAR+1,DC-1，判斷DC是否為0,如否，繼續，反之控制器發中斷請求，傳送完畢。

DMA工作方式流程圖

4）I/O通道控制方式
DMA適用於讀一個連續的資料塊；
如一次讀多個數據塊到記憶體不同區域，須由CPU分別傳送多條I/O指令、進行多次DMA中斷處理。
再進一步減少CPU的干預（減少中斷）， 引入通道。
實現對一組資料塊的讀（寫）及有關的控制和管理為單位的干預。
此時，CPU只需發一條I/O指令，給出通道程式的首地址及要訪問裝置即可。

• CPU、通道和I/O裝置三者的並行操作，提高整系統資源利用率。

通道是一種通過執行通道程式管理I/O操作的控制器，它使主機（CPU和記憶體）與I/O操作之間達到更高的並行程度。由於它的任務是管理實現輸入/輸出操作，提供一種傳送通道，所以將這種部件稱作“通道”。

通道程式

通道 通過執行通道程式，與裝置控制器共同實現對I/O裝置的控制。
通道程式由一系列通道指令構成。
CPU指令裝置驅動程式解讀通道程式通道
通道指令一般包含下列資訊：
操作碼。規定指令所執行的操作。
記憶體地址。
計數。表示本指令所要操作的位元組數。
通道程式結束位。用以表示程式是否結束。
記錄結束標誌。表示該指令是否與下條指令有關

裝置獨立性的基本含義：
指應用程式中所使用的裝置，不侷限於使用某個具體的物理裝置，也稱為裝置無關性。
為了實現裝置獨立性，在裝置驅動程式之上設定一層軟體，稱為與裝置無關的I/O軟體，或裝置獨立性軟體。
裝置無關的軟體是I/O系統最高層軟體，但它和其下的裝置驅動程式之間的界限，將隨作業系統和裝置的不同而有所差異。

裝置獨立性（無關性）
使用者程式設計時所用的裝置名（邏輯上的）與實際物理裝置無關；
好處：
裝置分配時的靈活性
3個物理裝置（如印表機），程式中申請一臺印表機，執行時不拘泥必須是某臺（如第2個）印表機
易於實現I/O重定向
指用於I/O操作的裝置可以更換（重定向），而不必改變應用程式。 程式除錯、執行中的“列印”，可通過修改邏輯裝置表的顯示終端，實現不同時候的不同的裝置使用。

邏輯裝置名到物理裝置名的對映
邏輯裝置表LUT（Logical Unit Table）

LUT的設定問題
整個系統設定一張LUT（裝置重名問題）
為每個使用者設定一張LUT，記入各自PCB

裝置分配
多道環境下，系統中裝置是所有程序共享的。要防止無序競爭，提高外設資源的利用率。需由OS進行統一、合理的裝置分配。
1）資料結構
2）裝置分配需考慮的因素
3）裝置的分配過程

1）裝置分配中的資料結構
記錄相應裝置或控制器的狀態，及對裝置或控制器進行控制所需的資訊。所需資料結構：
裝置控制表
控制器控制表
通道控制表
系統裝置（總）表

①裝置控制表（DCT）
統為每一裝置都配置一張
記錄本裝置的情況。

②控制器控制表（COCT）
系統為每一控制器都配置一張
記錄本控制器的情況。

③通道控制表CHCT


④系統裝置表（SDT）

2）裝置分配需考慮的因素
裝置固有屬性：獨佔、共享、獨佔但可虛擬。根據屬性採取互斥、次序排程、虛擬等不同分配策略。
裝置分配演算法（對不同程序的裝置請求序列，如何進行選擇），常採用兩種：
FCFS
優先順序高者優先
裝置分配的安全性：程序開始I/O後就阻塞直到I/O完成。不“請求和保持”（安全的）；允許連續I/O請求，是不安全的，此類分配方式需進行安全性檢查。
裝置獨立性
使用者IO請求中使用邏輯名申請某類裝置，實際物理名稱是系統根據裝置型別分析分配後才確定的。

3）獨佔裝置的分配過程
基本分配步驟（一個有通道的例子）：
分配裝置：
根據請求裝置名，查詢SDT，找到DCT；
狀態、安全性等因素都可能導致本申請程序阻塞，掛入DCT等待佇列中。
分配控制器
通過1步分配裝置後，從DCT找到COCT；
檢查COCT狀態字，若忙碌，程序PCB掛到其等待佇列
分配通道
COCT找到CHCT
判斷狀態，…
當上述三步都通過後，才可啟動裝置進行資料傳輸

裝置分配程式的改進細節
增加裝置的獨立性
程序使用邏輯裝置名提出I/O請求。
系統從SDT中依次找下去，直到找到一個該類裝置中空閒可用的進行分配。
考慮多通路情況
控制器、通道也是反覆查詢，直到找到一條通路。