输入输出(I/O)管理

I/O系统的基本功能

1. 隐藏物理设备的细节
2. 与设备的无关性
3. 提高处理机和I/O设备的利用率
4. 对I/O设备进行控制
5. 确保对设备的正确共享
6. 错误处理

I/O管理简述

• I/O设备与I/O控制器

  • I/O设备的分类

    按设备使用特性分类按传输速率分类按数据的传输单位分类设备的共享属性

    • 存储设备
      • 也称为外存、辅存、后备存储器等
    • 输入/输出设备
      • 输入设备、输出设备和交互式设备

    • 低速设备
      • 每秒几个字节至数百个字节
    • 中速设备
      • 每秒千字节至万字节
    • 高速设备
      • 每秒数百千个字节至数十兆字节

    • 块设备 - 以块为单位
    • 字符设备 - 以字符为单位

    • 独占设备：临界资源
    • 共享设备：可寻址、可随机访问
    • 虚拟设备：通过SPOOLING技术把独享设备改造为共享设备，以提高利用率

  • 设备控制器

    • 设备控制器是计算机中的一个实体。它控制一个或多个I/O设备，实现I/O设备和计算机之间的数据交换；它接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作

    • 组成

      

      内存映像I/O寄存器独立编址

      

      在编址上不区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，当处于0~n-1范围时，是内存地址；大于等于n时，是某个控制器的寄存器地址

      

      为实现CPU和设备控制器间的通信，为每个控制寄存器分配一个I/O端口，另外还设置一些特定的I/O指令

      访问内存和访问设备需要两种不同的指令

• I/O系统接口

  块设备接口流（字符）设备接口网络通信接口

  块设备接口是块设备管理程序与高层之间的接口，数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备，传输速率高，可寻址。

  流设备接口是流设备管理程序与高层的接口，数据的存取和传输是以字符为单位的设备，传输速率较低，不可寻址，常采用中断驱动方式。

  在现代操作系统中，提供了面向网络的功能，通过某种方式把计算机连接到网络上，使计算机能通过网络与网络上的其他计算机通信。

I/O控制方式

程序直接控制方式：轮询中断驱动方式DMA方式通道控制方式

graph LR
  A[给I/O模块发出读命令] -->B[读I/O模块的状态]
  B --> C{检查状态}
  C -->|准备好| D[从I/O模块读取字]
  C -->|未准备好| B
  D -->E[往存储器中写入字]
  E -->F{完成}
  F -->|是|G[下一条指令]
  F -->|否|A

在早期的计算机中，由于无中断机构，处理机对I/O设备的控制采用程序直接控制方式，或称为忙-等待方式。计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/O控制器的数据寄存器中。由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成了CPU资源的极大浪费

简单易于实现

由于CPU和I/O设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低

graph LR
   A[给I/O模块发出读命令] -->B[读I/O模块的状态]
   A-..->做其他事情
   中断-..->B
   B --> C{检查状态}
   C -->|准备好| D[从I/O模块读取字]
   C -->|未准备好| B
   D -->E[往存储器中写入字]
   E -->F{完成}
   F -->|是|G[下一条指令]
   F -->|否|A

在每个指令周期的末尾，CPU检查中断。当有来自I/O控制器的中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序处理该中断。这时，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着，CPU恢复发出I/O命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。

允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作，CPU与I/O可以并行操作

数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU，这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间

graph LR
    A[给I/O模块发出读命令]
    B[读DMA模块的状态]
    A-..->做其他事情
    中断-..->B
    B-->G[下一条指令]

DMA（直接存储器存取）方式的基本思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放”CPU。

• DMA方式的特点是：
  • 基本单位是数据块。
  • 所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反。
  • 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在 DMA控制器的控制下完成的。
• 为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器

命令/状态寄存器(CR)内存地址寄存器(MAR)数据寄存器(DR)数据计数器(DC)

用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息，或设备的状态。

在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。

用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。

存放本次CPU要读或写的字（节）数。

graph LR
      A[CPU给通道发出命令] -->B[CPU进行中断处理]
      中断信号-..->B
      B-->G[下一条指令]

I/O通道方式是DMA方式的发展，它可以进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关的控制和管理为单位的干预。

I/O通道与DMA方式的区别

• DMA方式需要CPU来控制传输的数据块大小、传输的内存位置，而通道方式中这些信息是由通道控制的。
• 每个DMA控制器对应一台设备与内存传递数据，而一个通道可以控制多台设备与内存的数据交换。

• 通道程序

  • 通道是通过执行通道程序并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的

  • 其中，通道程序是由一系列通道指令所构成的。

  Text Only

  每条指令都包含以下字段
  | 操作 | P | R | 计数 | 内存地址 |
  

I/O软件层次结构

I/O软件通常组织成四个层次，低层实现与硬件相关操作，高层为用户提供简洁、友好和规范的接口

用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序

实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作

实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备保护、设备的分配和回收

与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动设备工作

用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场

I/O核心子系统

I/O调度

• 用某种算法确定一个好的顺序来处理各个I/O请求

Linux提供的I/O调度的电梯算法

IO调度器的总体目标是希望让磁头能够总是往一个方向移动，移动到底了再往反方向走，这恰恰就是现实生活中的电梯模型，所以IO调度器也被叫做电梯(elevator)，而相应的算法也就被叫做电梯算法。

• 而Linux中IO调度的电梯算法有好几种，一个叫做AS(Anticipatory)，一个叫做 CFQ(Complete Fairness Queueing)，一个叫做deadline，还有一个叫做noop(No Operation)。具体使用哪种算法我们可以在启动的时候通过内核参数elevator来指定。

高速缓存与（内存组成的）缓冲区

缓冲区是一个存储区域，它可以由专门的硬件寄存器组成，但由于硬件的成本比较高，容量也比较小，一般仅用在对速度要求非常高的场合，一般情况下，更多利用内存作为缓冲区。

引入缓冲区的原因

1. 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。
2. 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。
3. 解决数据粒度不匹配的问题。
4. 提高CPU和I/O设备间的并行性。

单缓冲区双缓冲区循环缓冲区缓冲池

在单缓冲情况下，每当用户进程发出一个I/O请求后，操作系统便在主存中为之分配一个缓冲区。

• 当缓冲区不为空时不能往里面放入数据，只有缓冲区为空才能放入数据，但是一次放入的数据必须充满整个缓冲块，才能从缓冲区把数据传出

• 采用单缓冲策略，处理一块数据平均耗时 \(MAX(C,T)+M\) 。其中C是CPU处理工作区的时间，T是从I/O到缓冲区的时间，M是缓冲区的数据存到工作区的时间。

在设备输入时，先将数据送入第一缓冲区，装满后便转向第二缓冲区。此时操作系统可以从第一缓冲区中移出数据，并送入用户进程。

• 采用双缓冲策略，处理一个数据块的平均耗时是 \(Max(T, C+M)\)

• 实现两台机器之间的通信时，一般为每一台机器配置成双缓冲模式，易于实现双向数据传输。

将大小相等的缓冲区连接成一个循环队列。循环队列中有两种缓冲区，一种是没有数据的空闲缓冲区，一种是由数据的满缓冲区。又有两个指针分别指向空缓冲区和满缓冲区。

缓冲池有系统中共用的缓冲区组成。这些缓冲区按照使用状况可以分为：空缓冲队列、装满输入数据的缓冲队列、装满输出数据的缓冲队列。

• 根据一个缓冲区在实际运算中扮演的功能不同，又设置了四种工作缓冲区：用于收容输入数据的工作缓冲区(hin)、用于提取输入数据的工作缓冲区(sin)、用于收容输出数据的工作缓冲区(hout)、用于提取输出数据的工作缓冲区(sout)。

设备分配与回收

• 设备分配中的数据结构

  • 在用于设备分配的数据结构中，记录了对设备或控制器进行控制所需的信息

  

  设备控制表DCT控制器控制表COCT通道控制表CHCT系统设备表SDT

  系统为每一个设备都配置了一张设备控制表，用于记录设备的情况。

  • 设备控制表的字段：(type,deviceid,设备状态,指向控制器表的指针,重复执行次数或时间,设备队列的队首指针)

  系统为每一个控制器都设置了用于记录控制器情况的控制器控制表。

  每个通道都有一张通道控制表。

  记录了系统中全部设备的情况，每个设备占一个条目。

• 设备分配时所考虑的因素

  • 系统在分配设备时。应考虑如下几个因素：
  设备的固有属性设备分配算法设备分配中的安全性

  独占设备共享设备虚拟设备

  将一个设备分配给某进程后，便由该进程独占，直至该进程完成或释放该设备。

  对于共享设备，可同时分配给多个进程使用，此时须注意对这些进程访问该设备的先后次序进行合理调度。

  虚拟设备属于可共享的设备，可以将它同时分配给多个进程使用。

  先来先服务优先级高者优先

  根据诸进程对某设备提出请求的先后次序，将这些进程排成一个设备请求队列，设备分配程序总是把设备首先分配给队首进程。

  将优先级高的进程排在设备队列前面，而对于优先级相同的I/O请求，则按先来先服务原则排队。

  安全分配方式不安全分配方式

  每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。

  破坏了“请求与保持”条件，故设备分配是安全的

  进程在发出I/O请求后，仍继续运行，仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，才进入阻塞状态。

• 逻辑设备名到物理设备名映射的实现：LUT

  • 每个表目包含三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址
  • 设置方式：每个用户一张LUT，或整个系统共用一张LUT

假脱机技术（SPOOLing）

SPOOLing是Simultaneous Peripheral Operation On-Line （即外部设备联机并行操作）的缩写

脱机技术回顾

• 脱机：脱离主机控制。
• 脱机输入输出：将作业利用外围控制机输入至高速磁盘中（或相反）。令CPU有更多时间处理其他任务，缓解速度矛盾。

假脱机系统的特点

• 提高了I/O的速度
• 将独占设备改造为共享设备
• 实现了虚拟设备功能

• SPOOLing系统主要由以下四部分组成

输入井和输出井输入缓冲区和输出缓冲区输入进程和输出进程井管理程序

它们是在磁盘上开辟的两大存储区。输入井是模拟脱机输入时的磁盘，用于收容输入设备输入的数据；输出井是模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。

它们是在主存中开辟的两个缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井；输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。

输入进程模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入设备，通过输入缓冲区送到输入井。当CPU需要数据时，直接从输入井读入主存；输出进程模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输出的数据，先从主存送到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据，经过输出缓冲区送到输出设备上。

用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向某台设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。

• 应用：共享打印机

  

  • 打印机是经常用到的输出设备，属于独占设备。利用假脱机技术，可以将它改造成为一台可供多个用户共享的打印设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。主要分为三部分：
  磁盘缓冲区打印缓冲区假脱机管理进程和假脱机打印进程

  暂存用户程序的输出数据。

  暂存从磁盘缓冲区送来的数据。

  由假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并把它放入假脱机文件队列中，由假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印。

评论