输入输出系统——I/O系统

I/O系统

 I/O系统的组成包括:

需要用于输入、输出和存储信息的设备;

需要相应的设备控制器;

控制器与CPU连接的高速总线;

有的大中型计算机系统,配置I/O通道;

1)I/O设备的类型

    I/O设备的类型繁多,从OS的观点,按其重要的性能指标进行分类如下:

按传输速率分类:

低速、中速、高速(键盘、打印机、磁盘)

使用:存储设备、输入输出设备

按信息交换的单位分类:

块设备:有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制

字符设备:无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制

按设备的共享属性分类:

独占:打印机

共享:一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。

虚拟:使一台独占设备变换为若干台逻辑设备,供给若干用户“同时使用”。

I/O设备中的接口

与控制器的接口有三种类型的信号

数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)

控制信号线(读\写\移动磁头等控制)

状态信号线

2)设备控制器

设备并不直接与CPU通信

计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。

控制器是CPU与I/O设备之间的接口,作为中间人接收从CPU发来的命令,并去控制I/O设备工作,以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。

常作成接口卡插入计算机

可编址,不同类:控制一个设备时只有一个地址,若连接多个设备则含有多个设备地址;管理的复杂性因不同设备而异,分为字符设备控制器、块设备控制器。

①基本功能

1.接收和识别CPU命令(控制寄存器:存放命令和参数)

2.标识和报告设备的状态(状态寄存器)

3.数据交换(数据寄存器)

4.地址识别(控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器)

5.数据缓冲(协调I/O与CPU的速度差距)

6.差错控制

②组成

1.设备控制器与处理机的接口

2.设备控制器与设备的接口

3.I/O逻辑

3)I/O通道

①I/O通道设备的引入

设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预(如承担了选择设备,数据转换、缓冲等功能)

但当主机的外设很多时,CPU的负担仍然很重。

在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构:“通道”

设置通道后CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。

通道形成通道程序,执行I/O操作,完成后向CPU发中断信号。

主要目的:

建立更独立的I/O操作,解放CPU。

数据传送的独立

I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。

实际上I/O通道是一种特殊的处理机:指令类型单一,只用于I/O操作;通道没有内存,它与CPU共享内存

②通道类型

根据其控制的外围设备的不同类型,信息交换方式也可分为以下三种类型:字节多路通道;数组选择通道;数组多路通道。


中断机构和中断处理程序

1.中断简介

⑴中断和陷入

中断:CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应,中断是由外部设备引起的,又称外中断。

陷入:由CPU内部事件所引起的中断,通常把这类中断称为内中断或陷入(trap)。

中断和陷入的主要区别:是信号的来源。


I/O控制方式

程序I/O方式

中断驱动I/O方式

直接存储器访问DMA(字节—块)

I/O通道控制方式(组织传送的独立)

宗旨:减少主机对I/O控制的干预,将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

1)程序I/O方式

cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式,或称忙—等待方式

向控制器发送一条I/O指令;启动输入设备输入数据;把状态寄存器busy=1。

然后不断测试标志。为1:表示输入机尚未输完一个字,CPU继续对该标志测试;直到为0:数据已输入控制器数据寄存器中。

CPU取控制器中的数据送入内存单元,完成一个字的I/O。

高速CPU空闲等待低速I/O设备,致使CPU极大浪费。


2)中断驱动I/O方式

CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令

然后立即返回继续执行任务。

设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。

这时CPU与I/O设备并行操作。

I/O设备输入数据中,无需CPU干预,因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。

但cpu真的不需要干预么?


中断方式比程序I/O方式更有效

但仍以字(节)为单位进行I/O,每当完成一个字(节),控制器便要请求一次中断。

CPU虽然可与I/O并行,但效率不高,存在频繁的中断干扰。

改进:CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O,控制器完成后才发中断,而不是每个字节都要向CPU发中断;多字节传输入内存过程不需要CPU搬运,由控制器控制完成(所以称直接存储器访问)——DMA(Direct Memory Access)控制方式引入

3)直接存储器访问DMA 方式

①该方式的特点是:

1)数据传输的基本单位是数据块;

2)所传送的数据是从设备直接送入内存的,或者直接从内存进设备;不需要CPU操作。

3)CPU干预进一步减少: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控制器的控制下完成的。

     可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预,进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。

②DMA控制器的组成

DMA控制器由三部分组成:

1.主机与DMA控制器的接口;

2.DMA控制器与块设备的接口;

I/O控制逻辑。


DMA控制器中的寄存器

为实现主机与控制器之间块数据的直接交换,必须设置如下四类寄存器:

1.数据寄存器DR:暂存设备到内存或从内存到设备的数据。

2.内存地址寄存器MAR:它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。

3.数据计数器DC:存放本次CPU要读或写的字(节)数。

4.命令/状态寄存器CR:用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。

③DMA工作过程

CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。

该命令被送到命令寄存器CR中。

同时发送数据读入到内存的起始地址,该地址被送入MAR中;

要读数据的字数则送入数据计数器DC中;

将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上,按设备状态启动磁头到相应位置。

启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送

DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中,然后传到内存MAR地址中;接着MAR+1,DC-1,判断DC是否为0,如否,继续,反之控制器发中断请求,传送完毕。


4)I/O通道控制方式

DMA适用于读一个连续的数据块;

如一次读多个数据块到内存不同区域,须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。

再进一步减少CPU的干预(减少中断),引入通道。

实现对一组数据块的读(写)及有关的控制和管理为单位的干预。

此时,CPU只需发一条I/O指令,给出通道程序的首地址及要访问设备即可。

CPU、通道和I/O设备三者的并行操作,提高整系统资源利用率。

通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器,它使主机(CPU和内存)与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作,提供一种传送通道,所以将这种部件称作“通道”。

缓冲区管理


缓冲管理

I/O控制方式减少CPU对I/O的干预提高利用率;

缓冲则通过缓和CPU和I/O设备速度不匹配矛盾,增加CPU和I/O设备的并行性,提高利用率。

现代OS中,几乎所有的I/O设备与处理机交换数据时,都用了缓冲区。

引入缓冲区的主要原因:

缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。

缓冲区数据成批传入内存,也可进一步减少对CPU的中断频率

最终目的:提高CPU和I/O设备的并行性。

使用缓冲区的方式:

1)单缓冲、多缓冲

2)循环缓冲

3)缓冲池(Buffer Pool)

1)单缓冲与多缓冲

单缓冲(Single Buffer)

每当用户进程发出一I/O请求时,

OS在主存中为之分配一个缓冲区。

CPU和外设轮流使用,一方处理完后等待对方处理。

单位:字符设备输入时,缓冲区用于暂存用户输入/输出的一行数据;块设备输入则是成块数据。



多缓冲引入

I/O与CPU速度基本相匹配,采用双缓冲能获得较好的效果,基本上能并行操作。

但,若两者的速度相差甚远,双缓冲的效果仍不够理想;

为进一步协调速度差,可增加缓冲区数量,同时进行一定的多缓冲管理入和出的同步。

  引入多缓冲机制。组织形式:循环缓冲、缓冲池。


①循环缓冲的组成

多个缓冲区。大小相同,三种类型:

预备装输入数据的空缓冲区R

装满数据的缓冲区G

计算进程正在使用的现行工作缓冲区C

多个指针。

指示正在使用的缓冲区C的指针Current

指示计算进程下一个可取的缓冲区G的指针Nextg

指示输入进程下次可放的缓冲区R的指针Nexti

②循环缓冲区的使用

计算进程(CPU)和输入进程(I/O操作)可利用两个过程来使用循环缓冲区。

主要就是利用指针,操作上述不同类型缓冲区

Getbuf过程:使用缓冲区时,可调用该过程

计算进程取:current=Nextg,G—>C,nextg下移一个。

输入进程放:current=nexti,R—>C,nexti下移一个

Releasebuf过程:计算进程:C->R;输入进程:C->G

一个时段只能用于输入或输出,不能同时双向通信。

③进程同步

两个进程的控制:输入进程和计算进程并行执行,如何控制相应的两个指针不断顺时针方向移动,这样就可能出现两种情况:

1.Nexti赶上Nextg。意味着输入速度大于计算速度,缓冲区满,只能阻塞输入进程等计算进程取,此情况称为系统受计算限制。

2.Nextg赶上Nexti。意味着输入速度低于计算速度,缓冲区空,只能阻塞计算进程等输入进程放,此情况称为系统受I/O限制。

3)缓冲池(Buffer Pool)

循环缓冲的问题

不能同时双向通讯

利用率不高。缓冲区是专用缓冲。(每个进程都要维护自己的一个循环缓冲区),使用有剩余时也不给其他进程使用,消耗大量内存空间。

系统并发程序很多时,许多这样的循环缓冲需要管理,比较复杂。

为提高缓冲区的利用率,目前广泛流行缓冲池,在池中设置多个可供若干个进程共享的缓冲区。

系统将多个缓冲区形成一个缓冲池。

池中缓冲区为系统中所有的进程共享使用(如UNIX系统在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池)

组织形式:队列及队列指针



磁盘存储器的性能和调度



2)磁盘调度方法

对所有请求访问磁盘的进程进行合理调度,使对磁盘的平均访问时间最小。

目标:使平均寻道时间最少。

算法:FCFS;最短寻道时间优先SSTF;

扫描算法SCAN(磁盘电梯调度算法);

循环扫描算法CSCAN

N-Step-SCAN算法

FSCAN算法







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