操作系統(tǒng)課件：第13章 IO系統(tǒng)

第十三章I/O系統(tǒng)I/O硬件I/O應(yīng)用接口I/O內(nèi)核子系統(tǒng)把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作流性能輸入/輸出設(shè)備的種類很多一些概念端口總線（鏈環(huán)或共享總線）控制器（主機(jī)適配器）I/O指令控制設(shè)備設(shè)備有地址，用于直接I/O指令內(nèi)存映射I/OI/O硬件典型的PC總線結(jié)構(gòu)個(gè)人計(jì)算機(jī)中的設(shè)備I/O端口位置（部分）輪詢Polling設(shè)備的狀態(tài)就緒忙出錯(cuò)主機(jī)處于忙等待，在該循環(huán)中等待設(shè)備進(jìn)行I/O操作中斷InterruptsI/O設(shè)備觸發(fā)CPU的中斷請(qǐng)求線中斷處理程序接收中斷屏蔽位忽略或延遲某些中斷中斷向量為中斷分配正確的中斷處理程序基于優(yōu)先級(jí)某些中斷不可屏蔽中斷機(jī)制也用來處理異常中斷驅(qū)動(dòng)的I/O循環(huán)周期IntelPentium處理器的事件向量表為了避免程序控制I/O來傳輸大量數(shù)據(jù)需要DMA控制器繞過CPU，直接在I/O設(shè)備和內(nèi)存之間傳輸數(shù)據(jù)直接內(nèi)存訪問DMADMA傳輸中的步驟I/O系統(tǒng)調(diào)用將設(shè)備的行為封裝成一些通用類型設(shè)備驅(qū)動(dòng)層對(duì)內(nèi)核隱藏了I/O控制器的不同細(xì)節(jié)設(shè)備在許多方面有很大差異字符流或塊順序或隨機(jī)訪問共享或獨(dú)占操作速度讀寫、只讀、只寫I/O應(yīng)用接口內(nèi)核I/O結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備的特點(diǎn)塊設(shè)備包括磁盤命令包括讀、寫、尋找原始I/O或文件系統(tǒng)存取內(nèi)存映射文件訪問字符設(shè)備包括鍵盤、鼠標(biāo)、串口設(shè)備命令包括get，put在接口之上，可以構(gòu)造庫以提供按行訪問的能力塊與字符設(shè)備與塊設(shè)備和字符設(shè)備有很大差別，具有自己的接口UNIX和WindowsNT/9i/2000具有套接字接口（Socket）分離網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)操作包括select()函數(shù)方式廣泛：管道、FIFOs、流、隊(duì)列、郵箱網(wǎng)絡(luò)設(shè)備獲取當(dāng)前時(shí)間，已逝去時(shí)間、計(jì)時(shí)器可編程間隔定時(shí)器可被用于等待一段時(shí)間，然后周期性的觸發(fā)中斷ioctl（在UNIX中）掩蓋了時(shí)鐘和定時(shí)器這些I/O設(shè)備的區(qū)別時(shí)鐘與定時(shí)器阻塞－進(jìn)程掛起直到I/O操作完成容易使用和理解不能滿足某些需求非阻塞－I/O調(diào)用返回一個(gè)代表是否成功的值用戶接口，數(shù)據(jù)拷貝（I/O緩沖）通過多線程實(shí)現(xiàn)快速返回讀/寫的字節(jié)數(shù)異步－不等待I/O完成立刻返回，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行難以使用當(dāng)I/O操作完成時(shí)，I/O子系統(tǒng)向進(jìn)程發(fā)信號(hào)阻塞和非阻塞I/OTwoI/OMethodsSynchronousAsynchronous提供了與I/O有關(guān)的服務(wù)，建立在硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序結(jié)構(gòu)之上，還負(fù)責(zé)保護(hù)自己免受錯(cuò)誤進(jìn)程和惡意用戶的危害I/O調(diào)度某些I/O請(qǐng)求需要按設(shè)備隊(duì)列排序某些操作系統(tǒng)試圖維持公平緩沖(Buffering)－設(shè)備之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)暫時(shí)存放在內(nèi)存中解決設(shè)備之間的速度差異協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致維持“拷貝語義”I/O內(nèi)核子系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)表SunEnterprise6000的設(shè)備傳輸率高速緩存(Cache)－保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存僅僅是一個(gè)拷貝關(guān)鍵是性能假脫機(jī)(Spooling)－保存設(shè)備輸出的緩沖如果設(shè)備在一個(gè)時(shí)刻只能相應(yīng)一個(gè)請(qǐng)求如，打印機(jī)設(shè)備預(yù)留－提供對(duì)設(shè)備的獨(dú)占訪問分配和釋放設(shè)備的系統(tǒng)調(diào)用當(dāng)心死鎖I/O內(nèi)核子系統(tǒng)操作系統(tǒng)可以從磁盤讀、設(shè)備無效、暫時(shí)寫失敗等錯(cuò)誤中恢復(fù)當(dāng)出現(xiàn)I/O請(qǐng)求失敗時(shí)，多數(shù)情況返回一個(gè)錯(cuò)誤號(hào)

系統(tǒng)出錯(cuò)日志記錄了錯(cuò)誤報(bào)告錯(cuò)誤處理使用系統(tǒng)調(diào)用執(zhí)行I/O內(nèi)核保存了I/O組件的狀態(tài)信息，包括文件打開表、網(wǎng)絡(luò)連接、字符設(shè)備狀態(tài)等許多復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于記錄緩沖、內(nèi)存分配和“臟”塊有些操作系統(tǒng)使用面向?qū)ο蟮姆椒ê拖C(jī)制來實(shí)現(xiàn)I/O內(nèi)核數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)UNIX的I/O內(nèi)核結(jié)構(gòu)考慮一個(gè)進(jìn)程從磁盤讀取一個(gè)文件：確定保存文件的設(shè)備將文件名轉(zhuǎn)換成設(shè)備使用的表示法把數(shù)據(jù)從磁盤讀入緩沖通知請(qǐng)求進(jìn)程數(shù)據(jù)可用將控制權(quán)返回給進(jìn)程把I/O操作轉(zhuǎn)換成硬件操作I/O請(qǐng)求的生命周期流STREAMS流－在用戶進(jìn)程和設(shè)備之間的全雙工通信管道流的組成: -與用戶進(jìn)程相連的流開始 -控制設(shè)備的設(shè)備程序結(jié)尾

-位于兩者之間的若干個(gè)流模塊每個(gè)模塊包含了讀隊(duì)列和寫隊(duì)列隊(duì)列之間的通信采用消息傳遞機(jī)制流的結(jié)構(gòu)I/O是影響系統(tǒng)性能的重要因素：需要CPU執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)，核心I/O代碼由于中斷而導(dǎo)致的上下文切換數(shù)據(jù)拷貝網(wǎng)絡(luò)狀況尤其