第7章-输入输出管理概要.ppt

操作系统原理 第7章 输入/输出管理 内容摘要 I/O管理概述 I/O软件层次 输入/输出控制方式 缓冲技术 设备分配 Linux的I/O管理 * I/O设备分类 按设备的使用特性分类：存储设备、I/O设备 按设备的共享属性分类： 独占设备：在一段时间内只允许一个用户进程使用的设备； 共享设备：在一段时间内允许多个进程使用的设备； 虚拟设备：通过虚拟技术将一台独占设备改造成若干台逻辑设备； 按信息交换单位分类：块设备、字符设备； 按传输速度分类：低速设备、中速设备、高速设备； * I/O设备管理功能 设备分配：按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O分配给哪一个要求使用该设备的进程； 设备处理：实现CPU和设备控制器之间的通信； 缓冲管理：缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾； 设备独立性：应用程序独立于实际使用的物理设备； * 设备控制器 设备控制器：设备的电子部分，应具有： 接收和识别来自CPU的各种命令； 实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间的数据交换； 记录设备的状态供CPU查询； 可识别控制的每个设备的地址； * I/O通道 I/O通道，具备功能： 接收CPU发来的I/O指令，选择外围设备连接； 执行CPU为通道组织的通道程序； 给出外围设备的有关地址； 给出主存缓冲区的首地址； 控制外围设备与主存缓冲区之间数据交换的个数，计数，判断是否结束； 指定传送工作结束时要进行的操作； 检查外围设备的工作状态是否正常或故障； 在数据传输过程中完成必要的格式变换； * I/O通道（续） 根据信息交换方式的不同： 字符多路通道：以字节为单位传输信息，可以分时地执行多个通道程序；主要用于连接以字节为单位的低速I/O设备； 数组选择通道：可以连接多台高速设备，只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序； 数组多路通道：先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行通道指令； * I/O软件层次 I/O软件设计基本思想：将设备管理软件组织成一种层次结构。底层软件与硬件相关，用来屏蔽硬件的具体细节；高层软件为用户提供一个友好、清晰而统一的接口。 分为4层：中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的软件、用户空间的软件； * 中断处理程序 中断是指计算机系统内发生了某一急需处理的事件，使得CPU暂时中止当前正在执行的程序，而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回到原来被中断处继续执行； 当设备完成I/O操作时，便向CPU发送一个中断信号，CPU响应中断后便转入中断处理程序； * 中断处理程序（续） 中断处理过程步骤： 唤醒被阻塞的驱动程序进程； 保存被中断进程的CPU环境； 分析中断原因，转入相应的设备中断处理程序； 进行中断处理，判断设备状态，做相应处理； 恢复被中断进程的现场； * 设备驱动程序 所有与设备相关的代码放在设备驱动程序中，应为每一类设备配置一个驱动程序，或为一类密切相关的设备配置一个驱动程序； 任务：接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求，将这些请求转换成设备控制器可以接受的具体命令，再将这些命令发送给设备控制器，并监督这些命令是否正确执行；空闲则立即执行，否则插入等待队列； 磁盘驱动程序：第一步将抽象请求转换成具体形式，计算请求块实际在磁盘上的位置，检查驱动器的电机是否正在运转，确定磁头是否定位在正确的柱面上；决定需要设备控制器做哪些操作，以及按照什么样的次序执行操作； * 设备驱动程序（续） 设备驱动程序发出命令后，系统处理方式： 设备驱动程序必须等待控制器完成操作，所以设备驱动程序阻塞自己，直到中断信号将其唤醒； 操作很快完成，基本没有延迟，设备驱动程序不需要阻塞； 操作完成后，检查是否有错；若正常，设备驱动程序负责将数据传送到与设备无关的软件层；向调用者返回一些用于错误报告的状态信息；若还有其他未完成请求在排队，则选择一个启动执行；若队列中没有未完成的请求，则等待下一个请求； * 与设备无关的I/O软件 基本任务：实现一般设备都需要的I/O功能，并向用户空间软件提供一个统一的接口； 设备命名：负责把设备的符号名映射到相应的设备驱动程序上； 设备保护：对设备进行必要的保护，防止无授权的应用或用户非法使用； 提供与设备无关的逻辑块：向高层软件隐蔽物理细节，并给上层提供统一的逻辑块接口； * 与设备无关的I/O软件（续） 4.缓冲：块设备，硬件一般一次读写一个完整的块，而用户进程是按任意单位读写数据的；字符设备，当用户进程输出数据的速度快于设备输出数据的速度时，必须使用缓冲； 5.存储设备的块分配：在创建一个文件并向其中写入数据时，通常要为该文件分配新的存储块；空闲磁盘块表或位示图、分配算法与设备无关； 6.独占设备的分配和释放：对设备的使用请求进行检查，并根据设备的可用