5.3 輸入／輸出軟件組織

1、5.3 輸入輸出軟件組織5.3.1 輸入輸出軟件的層次結(jié)構(gòu)輸入輸出軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo)就是將軟件組織成一種層次結(jié)構(gòu)，底層的軟件用來(lái)屏蔽輸入輸出硬件的細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)上層的設(shè)備無(wú)關(guān)性(即設(shè)備獨(dú)立性，將在5.3.4節(jié)介紹)，高層軟件則主要為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一、規(guī)范、方便的接口。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，操作系統(tǒng)把輸入輸出軟件組織分成以下層次： 中斷處理程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件、用戶層的輸入輸出軟件。圖5.5列出了這四個(gè)層次以及每層軟件的主要功能，其中箭頭表示控制流。1用戶程序設(shè)備無(wú)關(guān)類(lèi)軟件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中斷處理程序硬件層次I/O請(qǐng)求I/O應(yīng)答 I/O功能進(jìn)行I/O調(diào)用 格式化I/O SPOOLing

2、命名 保護(hù) 阻塞 緩沖 分配建立設(shè)備寄存器 檢查狀態(tài)當(dāng)I/O結(jié)束時(shí),喚醒驅(qū)動(dòng)程序執(zhí)行I/O操作圖5.5 I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)25.3.2 中斷處理程序在設(shè)備控制器的控制下，I/O設(shè)備完成了I/O操作后，控制器便向CPU發(fā)出一個(gè)中斷請(qǐng)求，CPU響應(yīng)后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序。無(wú)論是哪種I/O設(shè)備，其中斷處理程序的處理過(guò)程大體相同(如圖5.6所示)，主要有以下幾個(gè)階段： 檢查CPU響應(yīng)中斷的條件是否滿足 如果有來(lái)自于中斷源的中斷請(qǐng)求，并且CPU允許中斷，則CPU響應(yīng)中斷的條件滿足；否則中斷處理無(wú)法進(jìn)行。3判斷中斷響應(yīng)條件關(guān)中斷保存被中斷現(xiàn)場(chǎng)分析中斷原因,轉(zhuǎn)入中斷處理程序執(zhí)行中斷處理程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)中斷返回

3、中斷點(diǎn)中斷請(qǐng)求圖5.6 中斷處理過(guò)程4CPU響應(yīng)中斷后立即關(guān)中斷 如果CPU響應(yīng)中斷，則它立即關(guān)中斷，使其不能再次響應(yīng)其它中斷。保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序執(zhí)行中斷處理程序恢復(fù)被中斷進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)中斷，CPU繼續(xù)執(zhí)行55.3.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不同類(lèi)型的設(shè)備應(yīng)有不同的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，所謂設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是指驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備和DMA控制器或I/O控制等直接進(jìn)行I/O操作的子程序集合。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要負(fù)責(zé)啟動(dòng)指定設(shè)備，即負(fù)責(zé)設(shè)置與相關(guān)設(shè)備有關(guān)的寄存器的值，啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作，指定操作的類(lèi)型和數(shù)據(jù)流向等。 其具體處理過(guò)程是：用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求系統(tǒng)接受這個(gè)I/O請(qǐng)

4、求設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具體完成I/O操作I/O完成后，用戶進(jìn)程重新開(kāi)始執(zhí)行。圖5.7是I/O請(qǐng)求處理過(guò)程示意圖。6print();write();文件操作寫(xiě)文件(文件系統(tǒng))設(shè)備驅(qū)動(dòng)終端輸出(文件管理)I/O完成中斷處理用戶空間核心空間系統(tǒng)調(diào)用處理操作系統(tǒng)程序圖5.7 I/O請(qǐng)求處理過(guò)程示意圖7 下面簡(jiǎn)要說(shuō)一下此過(guò)程，其中重點(diǎn)敘述設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程。用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求。 執(zhí)行到與I/O請(qǐng)求相對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行操作系統(tǒng)的核心程序，此時(shí)進(jìn)程的狀態(tài)由用戶態(tài)轉(zhuǎn)到核心態(tài)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是控制設(shè)備動(dòng)作（如設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀、寫(xiě)等）的核心模塊，用來(lái)控制設(shè)備上數(shù)據(jù)的傳輸。8一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接受來(lái)自

5、上層與設(shè)備無(wú)關(guān)軟件的抽象請(qǐng)求，并執(zhí)行該請(qǐng)求。如果請(qǐng)求到來(lái)時(shí)驅(qū)動(dòng)程序是空閑的，那么它就立即執(zhí)行該請(qǐng)求；反過(guò)來(lái)，若它正忙于處理前面的請(qǐng)求，就把新請(qǐng)求放入未完成請(qǐng)求隊(duì)列中，并盡快予以處理。下面就來(lái)介紹一下它的處理過(guò)程: 將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。 檢查I/O請(qǐng)求的合法性。 檢查設(shè)備狀態(tài)，發(fā)送啟動(dòng)命令，同時(shí)傳送必要的參數(shù)。 啟動(dòng)I/O設(shè)備。 9I/O完成后，由通道（或設(shè)備）產(chǎn)生中斷信號(hào)。CPU接到中斷請(qǐng)求后，如果條件符合（中斷優(yōu)先級(jí)高于運(yùn)行程序的優(yōu)先級(jí)），則響應(yīng)中斷，然后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序，喚醒因等待I/O完成而睡眠的進(jìn)程，調(diào)度用戶進(jìn)程繼續(xù)運(yùn)行。10綜上所述，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有如下功能：可將接收到

6、的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。接受用戶的I/O請(qǐng)求。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂脩舻腎/O請(qǐng)求排在請(qǐng)求隊(duì)列的隊(duì)尾，檢查I/O請(qǐng)求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)等。取出請(qǐng)求隊(duì)列中隊(duì)首請(qǐng)求，將相應(yīng)設(shè)備分配給它。然后啟動(dòng)該設(shè)備工作，完成指定的I/O操作。處理來(lái)自設(shè)備的中斷，及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)的中斷程序進(jìn)行處理。115.3.4 與設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件1. 設(shè)備無(wú)關(guān)性的概念為了提高操作系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和適應(yīng)性，人們提出了設(shè)備無(wú)關(guān)性（即設(shè)備獨(dú)立性）的概念。其含義是：用戶編寫(xiě)的應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，即使設(shè)備更換了，應(yīng)用程序也不用改變。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引

7、入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備的概念。所謂邏輯設(shè)備是實(shí)際物理設(shè)備屬性的抽象，它并不局限于某個(gè)具體設(shè)備。 12優(yōu)點(diǎn)： 使得設(shè)備分配更加靈活。 可以實(shí)現(xiàn)I/O重定向。 所謂I/O重定向是指可以更換I/O操作的設(shè)備而不必改變應(yīng)用程序。 132. 與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)與硬件（或設(shè)備）緊密相關(guān)的軟件，為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，就必須在驅(qū)動(dòng)程序之上設(shè)置一層與設(shè)備無(wú)關(guān)的軟件。 其主要功能如下： 向用戶層軟件提供統(tǒng)一接口。 設(shè)備命名。 設(shè)備維護(hù)。 提供一個(gè)獨(dú)立于設(shè)備的塊。 對(duì)獨(dú)占設(shè)備的分配與回收。 緩沖管理。 差錯(cuò)控制。 145.3.5 用戶層的I/O軟件用戶層的I/O軟件是I/O系統(tǒng)軟件的最上層軟件，負(fù)責(zé)與用戶和設(shè)備無(wú)關(guān)的I/O軟件通信，即它面向程序員，當(dāng)接收到用戶的I/O指令后，把具體的請(qǐng)求發(fā)送