（一）IO 管理基础

1. IO 设备

1.1. IO 设备基本概念

• 一般由执行 IO 操作的机械部件和控制 IO 操作的电子部件组成；

  • 执行 IO 的机械部件称为 IO 设备；

  • 管理 IO 的电子部件称为：设备控制器/适配器或 IO 接口；

1.2. IO 设备分类

• 按使用特性：IO 设备，存储设备；

• 按传输速率：低速设备，高速设备；

1.3. IO 接口/端口

• CPU 只能通过设备控制器间接与 IO 设备通信；

• IO 设备应含有和设备控制器通信的接口，该接口中有三种类型信号，各对应一条信号线

  • 数据信号；

  • 控制信号；

  • 状态信号；

• 基本功能

  • 接收/识别命令；

  • 数据交换；

  • 标识和报告 IO 设备的状态；

  • 识别地址；

  • 数据缓冲；

  • 差错控制；

• 组成部分

  • 设备控制器 $\leftrightarrow$ CPU 的接口；

  • 设备控制器 $\leftrightarrow$ IO 设备的接口；

  • IO 逻辑（在上述二者中间）

• 图示

  

  • CPU 控制器接口里的数据/控制/状态寄存器也称为 IO 端口；

2. IO 控制方式

• 主要三种：轮询，中断，DMA（Direct Memory Access）；

  

2.1. 轮询

• 启动 IO 后，CPU 置位状态寄存器的 busy 标志；

• 然后不断测试 busy 标志位：若 busy 为 1 则表示 IO 设备还在工作，为 0 表示 IO 设备已经完成；

• 测试到 busy 为 0 后，再从数据寄存器中取出数据，然后再启动下一次 IO，直到所有数据传输完成；

2.2. 中断

• 启动 IO 时，CPU 向设备控制器发出 IO 命令，然后立即返回执行原来的任务；

• 设备控制器完成工作后，触发 CPU 的 IO 中断，CPU 再进行处理；

• CPU 和设备控制器是并行工作；

2.3. DMA 直接存储器访问

• 普通 IO 是以字节为单位，每 IO 一个字节，设备控制器都要触发一次 CPU 中断，效率较低；

• DMA 的特点

  • IO 的单位变为数据块，CPU 与 IO 设备每次至少传输一个数据块；

  • IO 设备的数据直接送入内存，CPU 的数据也是直接由内存送入 IO 设备控制器；

  • 仅在一个或多个数据块传输完成时，才触发 CPU 中断进行处理，提高了 CPU 利用率；

• DMA 控制器的组成

  

  • CPU $\leftrightarrow$ DMA 控制器接口；

  • DMA 控制器 $\leftrightarrow$ 块设备接口；

  • IO 逻辑；

• DMA 工作过程（例如：从磁盘读入一个数据块）

  • 预处理：CPU 向控制器发送读命令（送入寄存器 CR 中），同时将起始地址送入地址寄存器 MAR 中；

  • 数据传输：CPU 启动 DMA 控制器，进行数据传输；

  • 后处理：传输完成后，控制器触发 CPU 中断，进行相关处理；

3. IO 软件层次结构

• 通常是四个层次：用户层、设备独立性软件、设备驱动、中断处理程序；

  

3.1. 中断处理程序

• 层次结构中的最底流程层，实现 CPU 和 IO 设备并行，是整个 IO 系统的基础；

• 中断处理流程

  • 进程申请 IO 时，该进程挂起，CPU 启动 IO 相关操作；

  • IO 设备完成操作后，向 CPU 发送中断请求；

  • CPU 收到中断请求，转向中断处理程序，执行相应处理；

  • 处理完毕，解除进程阻塞状态；

• 中断处理程序

  • 检测是否有未响应的中断请求；

  • 保护被中断进程的 CPU 上下文；

  • 转入相应的设备处理程序，处理中断；

  • 退出中断，恢复 CPU 现场；

3.2. 驱动

• 设备处理程序又称为设备驱动程序，实现高层次 IO 软件和设备控制器之间的通信；

• 主要功能

  • 高层次 IO 软件的请求 $\to$ 低层次设备控制器的指令；

  • 检查 IO 请求的合法性；

  • 检查 IO 设备的工作状态，传递 IO 设备操作有关的参数，设置 IO 设备工作方式；

  • 管理和发送 IO 命令：若 IO 设备空闲则立即启动，若忙碌，应管理一个请求队列；

  • 响应设备控制器的中断请求，并调用对应的中断处理程序；

• 特点

  • 和硬件密切相关，不同类型的设备，其驱动程序也不同；

  • 可以为多个终端设备配置一个驱动程序；

  • 因为和硬件密切相关，其中的一部分必须采用汇编语言书写；

  • 允许可重入：允许驱动程序一次调用完成前被再次调用；

• 设备处理方式

  • 为每一类设备专门设置一个进程，执行此类设备 IO 操作；

  • 整个 OS 只设置一个进程，管理和执行所有设备 IO 操作；

  • OS 提供对应的模块，供用户和系统进程调用；

• 工作过程

  • 将上层软件的请求转换为具体指令；

  • 校验 IO 请求合法性；

  • 检查 IO 设备状态；

  • 传递必要的 IO 操作参数；

  • 启动 IO 设备；

3.3. 设备独立软件

• 设备独立性：也称为设备无关性，指应用程序进行的操作不局限于某种特定的物理设备；

• 设备调用方式：

  • 1）使用物理设备名：早期 OS 中使用，deprecated；

  • 2）使用逻辑设备名：如 /dev/printer；

• 设备驱动程序的统一接口

  • 每个设备驱动程康与OS之间都有着相同或相近的接口，使添加一个新的设备驱动程序变得容易，同时在很大程度上方便了设备驱动程序的开发；

  • 将抽象的设备名映射到适当的驱动程序上（或具体的物理设备名），并进一步可以找到相应物理设备的驱动程序入口；

  • 其他功能：设备保护，禁止用户直接访问设备，以防止无权访问的用户使用；

• 缓冲管理

  • 为了缓和 CPU 高速和 IO 设备低速之间的矛盾，现代 OS 中都分别为字符设备和块设备配置了相应的缓冲区；

  • 多种形式：如单缓冲区、双缓冲区、循环缓冲区、公用缓冲池等；

• 差错控制

  • 设备中有着许多的机械和电气部分，比主机更容易出现故障；

  • IO 设备的错误可分为两类：(1) 暂时性，(2) 持久性；

• 独立设备的分配和回收

  • 对于独占设备，为了避免诸进程对独占设备的争夺，必须由系统来统一分配，不允许进程自行使用；

• 逻辑数据块

  • 不同类型的设备，其数据交换单位不同，读取和传输速率也各不相同；

  • 设备独立性软件负责在底层处理这些差异，向上层软件提供大小统一的逻辑数据块；

3.4. 用户层

• 系统调用

  • 不允许运行在用户态的应用进程去直接调用运行在系统太的 IO 过程；

  • OS 在用户层中引入系统调用，应用程序可以通过它间接调用 OS 中的 IO 过程，操作 IO 设备；

• 库函数

  • 库函数是实现系统调用的一种方式；

  • 不是所有库函数都是系统调用；

  • 库函数与调用程序连接在一起，被嵌入在运行时装入内存的二进制程序中；

  • 例：Windows—Win32 API；

4. IO 应用程序接口

• 三种接口：块设备、流设备和网络接口；

4.1. 块设备接口

• 例：磁盘设备接口

4.2. 流设备接口

• 又称为字符设备接口，用于字符型 IO 设备（例如：键盘）；

• 操作：get, put 等；

• 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

4.3. 网络设备接口

• 实现网络通信的功能；