一、I/O系統的基本功能、模型和介面

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：
  （1）完成使用者提出的I/O請求，
  （2）提高I/O速率、改善I/O裝置的利用率。
  （3）為更高層程序方便使用裝置提供手段

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系統的基本功能
   （1）隱藏物理裝置的細節（方便使用者）
   （2）實現裝置無關性（方便使用者）
   提高CPU和I/O裝置的利用率：
   （3）提高處理機和裝置的並行性，提高利用率：緩衝區管理
   （4）對I/O裝置進行控制：控制方式、裝置分配、裝置處理
   為使用者在共享裝置時提供方便：
   （5）確保對裝置正確共享：虛擬裝置及裝置獨立性等
   （6）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。
   
   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。
   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。
   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。處於I/O系統的底層，直接與硬體進行互動。
3. I/O系統介面
   （1）塊裝置介面
   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。
   （2）字元裝置（流裝置介面）：
   資料的存取和傳輸是以字元為單位的裝置。基本特徵是傳輸速率較低、不可定址，常採用中斷驅動方式。
   （3）網路通訊介面

二、I/O裝置和裝置控制器

1. I/O裝置的型別：
   a.按傳輸速率分類：低速、中速、高速（鍵盤、印表機、磁碟）
   b.按使用特性分類：儲存裝置、輸入輸出裝置
   c.按資訊交換的單位分類：塊裝置、字元裝置
   d.按裝置的共享屬性分類：獨佔（印表機）、共享（磁碟）、虛擬

   ==》裝置與控制器之間的介面
   與控制器的介面有三種類型的訊號
   ①資料訊號線(進出資料轉換、緩衝後傳送)
   ②控制訊號線(讀\寫\移動磁頭等控制)
   ③狀態訊號線

2. 裝置控制器
   （1）基本功能
   ①接收和識別CPU命令（控制暫存器：存放命令和引數）
   ②標識和報告裝置的狀態（狀態暫存器）
   ③資料交換（資料暫存器）
   ④地址識別（控制器識別裝置地址、暫存器地址。地址譯碼器）
   ⑤資料緩衝（協調I/O與CPU的速度差距）
   ⑥差錯控制
   （2）組成
   ①裝置控制器與處理機的介面
   ②裝置控制器與裝置的介面
   ③I/O邏輯
   （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：
   ①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。
   ②地址線
   ③控制線

3. I/O通道
   （1）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。

   ①主要目的：建立更獨立的I/O操作，解放CPU。
   ②I/O通道是一種特殊的處理機：
   a.指令型別單一，只用於I/O操作；
   b.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

三、中斷機構和中斷處理程式

1. 中斷簡介
   （1）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，一個來源於CPU外部，一個來自CPU內部。
   （2）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。
   （3）對多中斷源的處理方式
   ①遮蔽（禁止）中斷：
   a.所有中斷都將按順序依次處理。
   b.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：
   a.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。
   b.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；
   c.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
   （1）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
   （2）中斷處理流程
   ①測定是否有未響應的中斷訊號
   ②保護被中斷程序的CPU環境
   ③轉入相應的裝置處理程式
   ④中斷處理
   ⑤恢復CPU的現場