第14讲IO子系统.ppt

访问频率置换算法(Frequency-based Replacement) 新区域 中间区域 旧区域 栈顶 栈底 · · · · · · · · · 新读入数据块，引用计数为1 引用计数不变 引用计数加1 栈中缓存块被访问时移到栈顶；如果该块在新区域，引用计数不变；否则，引用计数加1 ■ 未缓存数据块读入后放在栈顶，引用计数为1 ■ 中间区域的定义是为了避免新读入的缓存块在第一次出新区域时马上被置换，有一个过渡期 在旧区域中引用计数最小的缓存块被置换 ■ 小结 I/O特点 ■ I/O结构 ■ I/O数据传输 ■ 磁盘调度 ■ 磁盘缓存 ■ * * 内核I/O结构 SCSI 设备 键盘 鼠标 ··· PCI 总线 软盘 ATAPI 设备(磁盘, 磁带等) ··· SCSI 设备驱动 键盘 设备驱动 鼠标 设备驱动 PCI 总线驱动 软盘 设备驱动 ATAPI 设备驱动 内核 I/O子系统 SCSI 设备控制器 键盘 设备控制器 鼠标 设备控制器 ··· PCI 总线控制器 软盘 设备控制器 ATAPI 设备控制器 I/O请求生存周期 设备驱动 中断处理例程 硬件设备 内核 I/O 子系统 用户 进程 process request,issue commands to controller configure controller to block until interrupted 判断是否已有 I/O请求结果？ 与进程交换数据，并返回完成结果或错误信息 是 向驱动发送I/O请求， 并等待结果 否 处理I/O请求 发送控制命令 并等待中断响应 控制设备操作 完成时，产生中断 设备控制命令 I/O完成，生成中断请求 设备控制器 确定I/O操作完成状态， 通知I/O子系统 接收中断，保存结果， 并通知设备驱动 中断 时间 I/O请求 I/O 操作完成 输入数据可用或输出完成 系统调用返回 系统调用 提纲 I/O特点 ■ I/O结构 ■ I/O数据传输 ■ 磁盘调度 ■ 磁盘缓存 ■ CPU与设备控制器的数据传输 程序控制I/O(PIO, Programmed I/O) ■ 通过CPU的in/out或者load/store传输所有数据 适用于简单的、小型的设备I/O 直接内存访问(DMA) ■ 设备控制器可直接访问系统总线 控制器直接与内存互相传输数据 适用于高吞吐量I/O 特点 硬件简单，编程容易 消耗的CPU时间和数据量成正比 特点 设备传输数据不影响CPU 需要CPU参与设置 通过直接I/O寻址读取磁盘数据的步骤 CPU 高速缓存 DMA、总线 和中断控制器 缓存 内存地址X PCI总线 IDE磁盘控制器 磁盘 磁盘 磁盘 磁盘 4.磁盘控制器传送数据到DMA控制器 3.磁盘控制器初始化DMA传送 6.DMA控制器完成数据传送后，产生中断请求，通知CPU传送完成 5.DMA控制器传送C字节数据到内存地址X 2.设备驱动控制磁盘控制器从磁盘读取数据 1.设备驱动收到读取磁盘数据到内存地址X 系统总线 I/O 设备通知操作系统的机制 操作系统需要了解设备状态 ■ I/O操作完成时间 I/O操作遇到错误 两种方式 ■ CPU主动轮询 设备中断 轮询 I/O 设备在特定的状态寄存器中放置状态和错误信息 ■ 操作系统定期检测状态寄存器 ■ 特点 简单 ■ I/O操作频繁或不可预测时，开销大和延时长 设备中断 设备中断处理流程 ■ CPU在I/O之前设置任务参数 CPU发出I/O请求后，继续执行其他任务 I/O设备处理I/O请求 I/O设备处理完成时，触发CPU中断请求 CPU接收中断，分发到相应中断处理例程 如：高带宽网络设备 一些设备可能结合了轮询和设备中断 ■ 第一个传入数据包到达前采用中断 轮询后面的数据包直到硬件缓存为空 特点 处理不可预测事件效果好 ■ 开销相对较高 设备中断I/O处理流程 设备驱动初始化I/O请求 1 CPU I/O控制器 CPU在执行一条指令后检查中断请求 中断服务例程进行中断处理 5 6 CPU恢复被中断进程的执行 3 操作完成或错误后， 产生中断 2 初始化I/O操作 CPU收到中断请求，分发给相应中断服务例程 4 7 提纲 I/O特点 ■ I/O结构 ■ I/O数据传输 ■ 磁盘调度 ■ 磁盘缓存 ■ 磁盘工作机制和性能参数 磁道t 磁盘轴 磁头组 扇区s 柱面c 盘片 磁头 读写头 读取或写入时，磁头必须被定位在期望的磁道，并从所期望的柱面和扇区的开始 ■ 寻道时间 ■ 定位到期望的磁道所花费的时间 旋转延迟 ■ 从零扇区开始处到达目的地花费的时间 平均旋转延迟时间=磁盘旋转一周时间的一半 磁盘I/O传输时间 等待设备可用 等待通