輸入/輸出第5章5.1I/O硬件原理5.2I/O軟件原理5.3I/O軟件層次5.4硬盤(pán)5.51I/O設(shè)備分類(lèi)與人進(jìn)行交互用于和用戶(hù)進(jìn)行通信打印機(jī)視頻顯示設(shè)備顯示器鍵盤(pán)鼠標(biāo)與設(shè)備進(jìn)行交互用于和電子設(shè)備進(jìn)行通信磁盤(pán)和磁帶傳感器控制器傳動(dòng)器2I/O設(shè)備分類(lèi)網(wǎng)絡(luò)通信類(lèi)用于和遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)行通信數(shù)據(jù)線(xiàn)調(diào)制解調(diào)器所有設(shè)備在操作系統(tǒng)中被粗略地分為兩類(lèi)塊設(shè)備字符設(shè)備3I/O設(shè)備的不同傳輸單位對(duì)于終端,數(shù)據(jù)的傳輸是以字符流為單位,而磁盤(pán)則是以塊為單位數(shù)據(jù)的表示方式不同設(shè)備編碼方式不一樣出錯(cuò)表示方式5I/O硬件原理某些典型設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)和總線(xiàn)的數(shù)據(jù)率6設(shè)備控制器I/O設(shè)備的組成:機(jī)械部分電子部分組成設(shè)備的電子部分就是設(shè)備控制器一個(gè)設(shè)備控制器可以處理一類(lèi)設(shè)備控制器的任務(wù)將串行的位流轉(zhuǎn)換成字節(jié)塊盡可能進(jìn)行糾錯(cuò)可以與主存進(jìn)行讀寫(xiě)操作7內(nèi)存映射I/O(2)(a)單總線(xiàn)體系結(jié)構(gòu)(b)雙總線(xiàn)內(nèi)存體系結(jié)構(gòu)910I/O數(shù)據(jù)傳輸方式程序控制I/O在進(jìn)行輸入/輸出時(shí)，CPU處于一種忙等待中斷驅(qū)動(dòng)I/OCPU發(fā)出I/O命令，由控制器具體執(zhí)行CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其他指令控制器完成I/O后，向CPU發(fā)中斷信號(hào)1113幾種數(shù)據(jù)傳輸方式的關(guān)系14中斷回顧中斷是怎樣發(fā)生的，設(shè)備與中斷控制器之間的連線(xiàn)實(shí)際上使用的是總線(xiàn)上的中斷線(xiàn)而不是專(zhuān)用連線(xiàn)。busControlregisterDataregister15直接存儲(chǔ)器存取(DMA)DMA傳送操作17直接存儲(chǔ)器存取(DMA)基本原理:處理器將相應(yīng)的傳輸命令發(fā)給DMA控制器DMA控制器直接將數(shù)據(jù)與內(nèi)存間進(jìn)行交換當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束，DMA控制器向處理器發(fā)中斷信號(hào)18DMA配置幾種DMA控制器的使用方式19I/O軟件原理

I/O軟件的目標(biāo)(1)設(shè)備獨(dú)立性程序能夠訪(fǎng)問(wèn)任意的設(shè)備不需要事先指定(如讀取硬盤(pán),軟盤(pán),或光區(qū))統(tǒng)一命名一個(gè)文件或設(shè)備的名字應(yīng)該是一個(gè)簡(jiǎn)單的字符串或一個(gè)整數(shù)不應(yīng)依賴(lài)于任何設(shè)備錯(cuò)誤處理錯(cuò)誤應(yīng)該盡可能在接近硬件層面得到處理21I/O軟件目標(biāo)(2)同步(Synchronous)和異步(asynchronous)傳輸阻塞式傳輸和中斷驅(qū)動(dòng)傳輸緩沖數(shù)據(jù)離開(kāi)一個(gè)設(shè)備后通常并不能直接存放到目的地共享設(shè)備和獨(dú)占設(shè)備磁盤(pán)是共享設(shè)備磁帶是獨(dú)占性設(shè)備22程序控制I/O(1)打印一個(gè)字符串的步驟23中斷驅(qū)動(dòng)I/O使用中斷驅(qū)動(dòng)I/O將一個(gè)字符串寫(xiě)到打印機(jī)當(dāng)打印系統(tǒng)被調(diào)用時(shí)執(zhí)行的代碼打印機(jī)的中斷服務(wù)過(guò)程25使用DMA的I/O使用DMA打印一個(gè)字符串當(dāng)打印系統(tǒng)被調(diào)用時(shí)執(zhí)行的代碼中斷服務(wù)過(guò)程26I/O軟件層次I/O軟件系統(tǒng)的層次27中斷處理程序(2)為中斷服務(wù)過(guò)程設(shè)置堆棧應(yīng)答中斷控制器,如果不存在集中的中斷控制器,則再次開(kāi)放中斷將寄存器從它們被保存的地方復(fù)制到進(jìn)程表中運(yùn)行中斷服務(wù)過(guò)程,從發(fā)出中斷的設(shè)備控制器的寄存器中提取信息選擇下一次運(yùn)行哪一個(gè)進(jìn)程為下一次要運(yùn)行的進(jìn)程設(shè)置MMU上下文裝入新進(jìn)程的寄存器開(kāi)始運(yùn)行新進(jìn)程29設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的邏輯定位驅(qū)動(dòng)程序和設(shè)備控制器之間的所有通信都通過(guò)總線(xiàn)30與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件(1)與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的統(tǒng)一接口緩沖錯(cuò)誤報(bào)告分配與釋放專(zhuān)用設(shè)備提供與設(shè)備無(wú)關(guān)的塊大小31與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件(2)(a)沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序接口(b)具有標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)程序接口32與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件(3)(a)無(wú)緩沖的輸入(b)用戶(hù)空間中的緩沖(c)內(nèi)核空間中的緩沖接著復(fù)制到用戶(hù)空間(d)內(nèi)核空間中的雙緩沖33雙緩沖使用兩個(gè)系統(tǒng)內(nèi)核空間中的緩沖當(dāng)?shù)谝粋€(gè)緩沖區(qū)被填滿(mǎn)之后,在它被清空之前可以使用第二個(gè)緩沖區(qū)34循環(huán)緩沖可以使用的緩沖區(qū)有兩個(gè)以上EachindividualbufferisoneunitinacircularbufferUsedwhenI/Ooperationmustkeepupwithprocess35緩沖池(bufferpool)緩沖區(qū)隊(duì)列：三種：空閑緩沖區(qū)，輸入緩沖區(qū)，輸出緩沖區(qū)操作：四種：設(shè)備輸入，CPU讀入，設(shè)備輸出，CPU寫(xiě)出。上述操作訪(fǎng)問(wèn)各個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列時(shí)，需要進(jìn)行相應(yīng)的互斥操作。這是一種雙方向緩沖技術(shù)；緩沖區(qū)整體利用率高。36與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件(3)錯(cuò)誤報(bào)告分配與釋放專(zhuān)用設(shè)備與設(shè)備無(wú)關(guān)的塊大小37用戶(hù)空間的I/O軟件

I/O系統(tǒng)的層次以及每一層的主要功能38SPOOLing(假脫機(jī),虛擬設(shè)備技術(shù)),SimultaneousPeripheralOperationOnLine可把獨(dú)享設(shè)備轉(zhuǎn)變成具有共享特征的虛擬設(shè)備，從而提高設(shè)備利用率。引入：在多道批處理系統(tǒng)中，專(zhuān)門(mén)利用一道程序（SPOOLing程序）來(lái)完成對(duì)設(shè)備的I/O操作。無(wú)需使用外圍I/O處理機(jī)。39原理:SPOOLing程序和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以稱(chēng)為“實(shí)際I/O”。一方面，SPOOLing程序預(yù)先從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)并加以緩沖，在以后需要的時(shí)候輸入到應(yīng)用程序；另一方面，SPOOLing程序接受應(yīng)用程序的輸出數(shù)據(jù)并加以緩沖，在以后適當(dāng)?shù)臅r(shí)候輸出到外設(shè)。在SPOOLing程序中，需要管理兩級(jí)緩沖區(qū)：內(nèi)存緩沖區(qū)和快速外存上的緩沖池，后者可以暫存多批I/O操作的較多數(shù)據(jù)。應(yīng)用程序進(jìn)行I/O操作時(shí)，只是和SPOOLing程序交換數(shù)據(jù)，可以稱(chēng)為"虛擬I/O"。這時(shí)虛擬I/O實(shí)際上是從SPOOLing程序的緩沖池中讀出數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)送入緩沖池，而不是跟實(shí)際的外設(shè)進(jìn)行I/O操作。40優(yōu)點(diǎn)：高速虛擬I/O操作：應(yīng)用程序的虛擬I/O比實(shí)際I/O速度提高，縮短應(yīng)用程序的執(zhí)行時(shí)間。另一方面，程序的虛擬I/O操作時(shí)間和實(shí)際I/O操作時(shí)間分離開(kāi)來(lái)。實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)享設(shè)備的共享：由SPOOLing程序提供虛擬設(shè)備，可以對(duì)獨(dú)享設(shè)備依次共享使用。舉例：打印機(jī)設(shè)備和可由打印機(jī)管理器管理的打印作業(yè)隊(duì)列。如：WindowsNT中，應(yīng)用程序直接向針式打印機(jī)輸出需要15分鐘，而向打印作業(yè)隊(duì)列輸出只需要1分鐘，此后用戶(hù)可以關(guān)閉應(yīng)用程序而轉(zhuǎn)入其他工作，在以后適當(dāng)?shù)臅r(shí)候由打印機(jī)管理器完成15分鐘的打印輸出而無(wú)需用戶(hù)干預(yù)。41磁盤(pán)的結(jié)構(gòu)盤(pán)

盤(pán)的硬件(1)42盤(pán)

盤(pán)的硬件(2)最初的IBMPC360KB軟盤(pán)參數(shù)與西部數(shù)據(jù)公司W(wǎng)D18300硬盤(pán)參數(shù)43盤(pán)的硬件(3)具有兩個(gè)環(huán)帶的磁盤(pán)的物理幾何規(guī)格該磁盤(pán)的一種可能的虛擬幾何規(guī)格44RAIDRedundantArrayofIndependentDisks(廉價(jià)磁盤(pán)冗余陣列)由一個(gè)RAID控制器加上一個(gè)裝滿(mǎn)磁盤(pán)的盒子組成,而對(duì)操作系統(tǒng)而言就是一個(gè)大容量的磁盤(pán)數(shù)據(jù)被分布在多個(gè)驅(qū)動(dòng)器的陣列上冗余磁盤(pán)可以用來(lái)存放奇偶信息45Raid0級(jí)到2級(jí)陰影表示備份或者存放校驗(yàn)碼的盤(pán)鏡像無(wú)冗余冗余盤(pán)上存放的是海明校驗(yàn)碼46Raid3級(jí)到5級(jí)陰影表示備份或者存放校驗(yàn)碼的盤(pán)bit-interleavedparityblock-levelparityblock-leveldistributedparity47磁盤(pán)格式化(1)一個(gè)磁盤(pán)扇區(qū)48磁盤(pán)格式化(2)柱面斜進(jìn)示意圖49磁盤(pán)的格式化(3)無(wú)交錯(cuò)單交錯(cuò)雙交錯(cuò)50磁頭臂調(diào)度算法(1)讀寫(xiě)一個(gè)磁盤(pán)塊的時(shí)間又下面三個(gè)因素構(gòu)成尋道時(shí)間旋轉(zhuǎn)延遲實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間尋道時(shí)間占主導(dǎo)地位傳輸過(guò)程中的糾錯(cuò)由控制器完成51磁頭臂調(diào)度策略先來(lái)先服務(wù)(FIFO)按達(dá)到順序滿(mǎn)足進(jìn)程的需求對(duì)所有進(jìn)程都公平在磁盤(pán)I/O負(fù)載較輕且每次讀寫(xiě)多個(gè)連續(xù)扇區(qū)時(shí)，性能較好優(yōu)先級(jí)目標(biāo)是系統(tǒng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，而不是改進(jìn)磁盤(pán)I/O性能短作業(yè)具有較高優(yōu)先級(jí)反映進(jìn)程在系統(tǒng)的優(yōu)先級(jí)特征,具有較好系統(tǒng)交互響應(yīng)時(shí)間52磁頭臂調(diào)度策略后進(jìn)先出該算法是基于事務(wù)系統(tǒng)中順序文件中磁盤(pán)I/O的局部性特征，相鄰訪(fǎng)問(wèn)的位置也相鄰。它的問(wèn)題在于系統(tǒng)負(fù)載重時(shí)，可能有進(jìn)程的磁盤(pán)I/O永遠(yuǎn)不能執(zhí)行，處于饑餓狀態(tài)。最短尋道時(shí)間優(yōu)先考慮磁盤(pán)I/O請(qǐng)求隊(duì)列中各請(qǐng)求的磁頭定位位置，選擇從當(dāng)前磁頭位置出發(fā)，移動(dòng)最少的磁盤(pán)I/O請(qǐng)求。該算法的目標(biāo)是使每次磁頭移動(dòng)時(shí)間最少。它不一定是最短平均柱面定位時(shí)間，但比FIFO算法有更好的性能。對(duì)中間的磁道有利，可能會(huì)有進(jìn)程處于饑餓狀態(tài)。53磁頭臂調(diào)度策略SCAN(elevatoralgorithm,掃描算法,電梯算法)選擇在磁頭前進(jìn)方向上從當(dāng)前位置移動(dòng)最少的磁盤(pán)I/O請(qǐng)求執(zhí)行，沒(méi)有前進(jìn)方向上的請(qǐng)求時(shí)才改變方向。該算法是對(duì)SSTF算法的改進(jìn)，磁盤(pán)I/O較好，且沒(méi)有進(jìn)程會(huì)餓死。C-SCAN(循環(huán)掃描)嚴(yán)格按照一個(gè)方向進(jìn)行掃描,在一個(gè)方向上使用掃描算法，當(dāng)?shù)竭_(dá)邊沿時(shí)直接移動(dòng)到另一沿的第一個(gè)位置。該算法可改進(jìn)掃描算法對(duì)中間磁道的偏好。實(shí)驗(yàn)表明，該算法在中負(fù)載或重負(fù)載時(shí)，磁盤(pán)I/O性能比掃描算法好。54磁頭臂調(diào)度策略

幾種不同調(diào)度算法的比較55錯(cuò)誤處理具有一個(gè)壞扇區(qū)的磁盤(pán)磁道用備用扇區(qū)替換壞扇區(qū)移動(dòng)所有扇區(qū)以回避壞扇區(qū)56時(shí)鐘

時(shí)鐘硬件可編程時(shí)鐘57時(shí)鐘軟件(1)維護(hù)日時(shí)間的三種方式58時(shí)鐘軟件(2)用單個(gè)時(shí)鐘模擬多個(gè)定時(shí)器59時(shí)鐘軟件的主要功能維護(hù)日期時(shí)間防止進(jìn)程超時(shí)運(yùn)行對(duì)CPU的使用情況記帳處理用戶(hù)進(jìn)程提出的alarm系統(tǒng)調(diào)用為系統(tǒng)本身的各個(gè)部分提供監(jiān)視定時(shí)器完成概要