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5.3 输入／输出软件组织 5.3.1 输入／输出软件的层次结构 输入／输出软件的设计目标就是将软件组织成一种层次结构，底层的软件用来屏蔽输入／输出硬件的细节，从而实现上层的设备无关性(即设备独立性，将在5.3.4节介绍)，高层软件则主要为用户提供一个统一、规范、方便的接口。 为了实现这个目标，操作系统把输入／输出软件组织分成以下层次： 中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的I/O软件、用户层的输入／输出软件。 图5.5列出了这四个层次以及每层软件的主要功能，其中箭头表示控制流。 5.3.2 中断处理程序 在设备控制器的控制下，I/O设备完成了I/O操作后，控制器便向CPU发出一个中断请求，CPU响应后便转向中断处理程序。 无论是哪种I/O设备，其中断处理程序的处理过程大体相同(如图5.6所示)，主要有以下几个阶段： ① 检查CPU响应中断的条件是否满足 如果有来自于中断源的中断请求，并且CPU允许中断，则CPU响应中断的条件满足；否则中断处理无法进行。 5.3.3 设备驱动程序 不同类型的设备应有不同的设备驱动程序，所谓设备驱动程序是指驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制等直接进行I/O操作的子程序集合。 设备驱动程序主要负责启动指定设备，即负责设置与相关设备有关的寄存器的值，启动设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等。 其具体处理过程是：用户进程发出I/O请求→系统接受这个I/O请求→设备驱动程序具体完成I/O操作→I/O完成后，用户进程重新开始执行。 图5.7是I/O请求处理过程示意图。 5.3.4 与设备无关的I/O软件 1. 设备无关性的概念 为了提高操作系统的可扩展性和适应性，人们提出了设备无关性（即设备独立性）的概念。 其含义是：用户编写的应用程序独立于具体使用的物理设备，即使设备更换了，应用程序也不用改变。 为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备的概念。 所谓逻辑设备是实际物理设备属性的抽象，它并不局限于某个具体设备。 优点： ① 使得设备分配更加灵活。 ② 可以实现I/O重定向。 所谓I/O重定向是指可以更换I/O操作的设备而不必改变应用程序。 2. 与设备无关的软件 设备驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件，为了实现设备独立性，就必须在驱动程序之上设置一层与设备无关的软件。 其主要功能如下： ⑴ 向用户层软件提供统一接口。 ⑵ 设备命名。 ⑶ 设备维护。 ⑷ 提供一个独立于设备的块。 ⑸ 对独占设备的分配与回收。 ⑹ 缓冲管理。 ⑺ 差错控制。 5.3.5 用户层的I/O软件 用户层的I/O软件是I/O系统软件的最上层软件，负责与用户和设备无关的I/O软件通信，即它面向程序员，当接收到用户的I/O指令后，把具体的请求发送到设备无关的I/O软件，进行进一步的处理。 它主要包含用于I/O操作的库例程和SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-Line，即在联机情况下实现的同时外围操作）系统 * 硬件 中断处理程序 设备驱动程序 设备无关类软件 用户程序 层次 I/O请求 I/O应答 I/O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,唤醒驱动程序 执行I/O操作 图5.5 I/O系统的层次结构 判断中断响应条件 关中断 保存被中断现场 分析中断原因,转入中断处理程序 执行中断处理程序 恢复现场 开中断 返回中断点 中断请求 图5.6 中断处理过程 ②CPU响应中断后立即关中断 如果CPU响应中断，则它立即关中断，使其不能再次响应其它中断。 ③保存被中断进程的CPU环境 ④分析中断原因，转入相应的设备中断处理程序 ⑤执行中断处理程序 ⑥恢复被中断进程的CPU现场 ⑦开中断，CPU继续执行 …… …… print(…); …… write(…); 文件操作 写文件 (文件系统) 设备驱动 终端输出 (文件管理) I/O完成中断处理 …… 用户空间 核心空间 系统调用处理 操作系统程序 图5.7 I/O请求处理过程示意图 下面简要说一下此过程，其中重点叙述设备驱动程序的处理过程。 ⑴用户进程发出I/O请求。 ⑵执行到与I/O请求相对应的系统调用后，转去执行操作系统的核心程序，此时进程的状态由用户态转到核心态。 ⑶设备驱动程序是控制设备动作（如设备的打开、关闭、读、写等）的核心模块，，用来控制设备上数据的传输。 一般来说，设备驱动程序接受来自上层与设备无关软件的抽象请求，并