九. I/O系统

I/O系统

计算机I/O系统结构

I/O管理示意图

I/O的特点

设备的分类 - 按数据组织分

块设备, 以数据块为单位存储、传输信息传输速率较高、可寻址(随机读写)

字符设备, 以字符为单位存储、传输信息传输速率低、不可寻址

* 存储设备(磁盘、磁带)
* 传输设备(网卡、Modem)

* 人机交互设备(显示器、键盘、鼠标)

设备的分类 - 从资源分配角度

独占设备 - 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备(如打印机，磁带等)
共享设备 - 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高(如硬盘)
虚设备 - 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备. 目的:将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率 (实例: Spooling技术, 利用虚设备技术 - 用硬盘模拟输出输入设备)

I/O管理的目标和任务

(1) 按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换，最终完成用户的I/O请求

(2) 建立方便、统一的独立于设备的接口

方便性: 向用户提供使用外部设备的方便接口, 使用户编程时不考虑设备的复杂物理特性
 统一性: 对不同的设备采取统一的操作方式，即在用户程序中使用的是逻辑设备
- 逻辑设备与物理设备
- 屏蔽硬件细节(设备的物理特性、错误处理、不同I/O过程的差异性)

(3) 充分利用各种技术(通道，中断，缓冲，异步I/O等)提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率. (性能CPU与I/O的速度差别大→减少由于速度差异造成的整体性能开销→尽量使两者交叠运行)

(4) 保护设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的

I/O设备组成

I/O设备一般由机械和电子两部分组成

(1)机械部分是设备本身(物理装置) (2)电子部分又称设备控制器(或适配器)

– (端口)地址译码

– 按照主机与设备之间约定的格式和过程接受计算机发来的数据和控制信号或向主机发送数据和状态信号

– 将计算机的数字信号转换成机械部分能识别的模拟信号，或反之

– 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性能或增强功能

设备接口 - 控制器的作用

 操作系统将命令写入控制器的接口寄存器(或接口缓冲区)中，以实现输入/输出，并从接口寄存器读取状态信息或结果信息
 当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以另外执行其他计算;命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统;通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态
 控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口
 控制器的任务:把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正:首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块;在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到内存中

I/O端口地址

内存映像编址

内存映射I/O的优点

内存映射I/O的缺点

对一个设备控制寄存器不能进行高速缓存
考虑以下汇编代码循环，第一次引用PORT_4将导致它被高速缓存，随后的引用将只从高速缓存中取值并且不会再查询设备，之后当设备最终变为就绪时，软件将没有办法发现这一点，结果循环将永远进行下去
为避免这一情形，硬件必须针对每个页面具备选择性禁用高速缓存的能力，操作系统必须管理选择性高速缓存，所以这一特性为硬件和操作系统两者增添了额外的复杂性