站酷网官网下载,网站建设一定要公司吗,宝塔 wordpress,制作网站需要什么技术目录1. I/O 设备1.1. I/O 设备的分类1.1.1. 按使用特性1.1.2. 按传输速率1.1.3. 按信息交换的单位2. I/O 控制器2.1. 机械部件 vs 电子部件2.2. I/O 控制器的功能2.3. I/O 控制器的组成3. I/O 控制方式3.1. 程序直接控制方式3.2. 中断驱动方式3.3. DMA方式3.4. 通道控制方式4. …
目录1. I/O 设备1.1. I/O 设备的分类1.1.1. 按使用特性1.1.2. 按传输速率1.1.3. 按信息交换的单位2. I/O 控制器2.1. 机械部件 vs 电子部件2.2. I/O 控制器的功能2.3. I/O 控制器的组成3. I/O 控制方式3.1. 程序直接控制方式3.2. 中断驱动方式3.3. DMA方式3.4. 通道控制方式4. I/O 软件层次结构5. I/O 核心子系统5.1. 假脱机技术SPOOLing技术5.1.1. 脱机技术5.1.2. 假脱机技术6. 设备的分配与回收6.1. 安全分配 vs 不安全分配6.2. 静态分配 vs 动态分配6.3. 设备分配管理中的数据结构6.3.1. 设备控制表DCT6.3.2. 控制器控制表COCT6.3.3. 系统设备表SDT6.4. 设备分配的步骤7. 缓冲区管理7.1. 缓冲区的作用7.2. 单缓冲7.3. 双缓冲7.4. 循环缓冲区7.5. 缓冲池1. I/O 设备
“ I/O ” 就是“ 输入/输出 ”lnput/Output
I/O 设备就是可以将数据输入到计算机或者可以接收计算机输出数据的外部设备属于计算机中的硬件部件。
UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件 用户可以使用与文件操作相同的方式对外部设备进行操作。
Write向外部设备写出数据。
Read向外部设备读入数据。
1.1. I/O 设备的分类
1.1.1. 按使用特性
人机交互类外设鼠标、键盘、打印机等。—— 用于人机交互 —— 数据传输速度慢存储设备移动硬盘、光盘等。 —— 用于数据存储 —— 数据传输速度快网络通信设备调制解调器等。 —— 用于网络通信 —— 数据传输速度介于上面两者之间
1.1.2. 按传输速率
低速设备鼠标、键盘等 —— 传输速率为每秒几个到几百字节。中速设备如激光打印机等 —— 传输速率为每秒数千至上万个字节。高速设备如磁盘等 —— 传输速率为每秒数千字至千兆字节。
1.1.3. 按信息交换的单位
块设备如磁盘等 ―― 数据传输的基本单位是 “ 块” 。—— 传输速率较高可寻址即对它可随机地读/写任一块。字符设备鼠标、键盘等 ―― 数据传输的基本单位是字符。—— 传输速率较慢不可寻址在输入/输出时常采用中断驱动方式。
2. I/O 控制器
2.1. 机械部件 vs 电子部件
l/O 设备的机械部件主要用来执行具体 l/O 操作。
如我们看得见摸得着的鼠标/键盘的按钮显示器的LED屏移动硬盘的磁臂、磁盘盘面。
l/O 设备的电子部件通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。
CPU 无法直接控制 I/O 设备的机械部件因此 I/O 设备还要有一个电子部件作为 CPU 和 I/O 设备机械部分之间的 “中介”, 用于实现CPU对设备的控制。
这个电子部件就是 I/O 控制器又称设备控制器。
CPU可控制 I/O 控制器又由 I/O 控制器来控制设备的机械部件。
2.2. I/O 控制器的功能
1、接受和识别 CPU 发出的命令
如 CPU 发来的 read/write 命令I/O 控制器中会有相应的控制寄存器来存放命令和参数。
2、向 CPU 报告设备的状态
I/O 控制器中会有相应的状态寄存器用于记录 I/O 设备的当前状态。如1表示空闲0表示忙碌。
3、数据交换
I/O 控制器中会设置相应的数据寄存器。
输出时数据寄存器用于暂存CPU发来的数据之后再由控制器传送设备。
输入时数据寄存器用于暂存设备发来的数据之后CPU从数据寄存器中取走数据。
4、地址识别
类似于内存的地址为了区分设备控制器中的各个寄存器也需要给各个寄存器设置一个特定的“地址”。
I/O 控制器通过 CPU 提供的 “ 地址 ” 来判断 CPU 要读/写的是哪个寄存器。
2.3. I/O 控制器的组成 1、 CPU与控制器的接口用于实现 CPU 与控制器之间的通信CPU 通过控制线发出命令通过地址线指明要操作的设备通过数据线来取出输入数据或放入输出数据。
2、 I/O逻辑负责接收和识别 CPU 的各种命令, 并负责对设备发出命令。
3、 控制器与设备的接口用于实现控制器与设备之间的通信。
值得注意的小细节
① 一个 I/O 控制器可能会对应多个设备
② 数据寄存器、控制寄存器、状态寄存器可能有多个如每个控制/状态寄存器对应一个具体的设备且这些寄存器都要有相应的地址才能方便CPU操作。有的计算机会让这些寄存器占用内存地址的一部分称为内存映像 I/O另一些计算机则采用 I/O 专用地址即寄存器独立编址。
3. I/O 控制方式
即用什么样的方式来控制 I/O 设备的数据读/写。
3.1. 程序直接控制方式
通过 轮询 实现以读操作为例。 数据传送的单位每次读/写一个字。
数据的流向
读操作数据输入I/O 设备 → CPU → 内存
写操作数据输出内存 → CPU → I/O 设备
每个字的读/写都需要CPU的帮助。
优点实现简单。在读/写指令之后加上实现循环检查的一系列指令即可。因此才称为“程序直接控制方式”
缺点CPU 和 I/O 设备只能I/O串行工作CPU 需要一直轮询检查长期处于忙等状态CPU 利用率低。
3.2. 中断驱动方式
引入中断机制。
由于 I/O 设备速度很慢因此在 CPU 发出读/写命令后可将等待 I/O 的进程阻塞先切换到别的进程执行。当 I/O 完成后控制器会向 CPU 发出一个中断信号CPU检测到中断信号后会保存当前进程的运行环境信息转去执行中断处理程序处理该中断。
处理中断的过程中CPU从 I/O 控制器读一个字的数据传送到 CPU 寄存器再写入主存。接着CPU恢复等待 I/O 的进程或其他进程的运行环境然后继续执行。 注意
① CPU 会在每个指令周期的末尾检查中断
② 中断处理过程中需要保存、恢复进程的运行环境,这个过程是需要一定时间开销的。可见如果中断发生的频率太高也会降低系统性能。
CPU干预的频率
每次 I/O 操作开始之前、完成之后需要 CPU 介入。
等待 I/O 完成的过程中 CPU 可以切换到别的进程执行。
数据传送的单位每次读/写一个字。
数据的流向
读操作数据输入I/O 设备 → CPU → 内存
写操作数据输出内存 → CPU → I/O 设备
优点与 “ 程序直接控制方式 ” 相比在“中断驱动方式”中I/O 控制器会通过中断信号主动报告I/O 已完成CPU不再需要不停地轮询。CPU 和 I/O 设备可并行工作CPU利用率得到明显提升。
缺点每个字在 I/O 设备与内存之间的传输都需要经过 CPU。而频繁的中断处理会消耗较多的CPU时间。
3.3. DMA方式
DMA方式Direct Memory Access直接存储器存取。
主要用于块设备的 I/O 控制相对于 “中断驱动方式 ” 有这样几个改进
① 数据的传送单位是 “ 块 ”。不再是一个字、一个字的传送
② 数据的流向是从设备直接放入内存或者从内存直接到设备。不再需要 CPU 作为“快递小哥”
③ 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预。 DR (Data Register数据寄存器)暂存从设备到内存或从内存到设备的数据。 MAR (Memory Address Register内存地址寄存器)在输入时MAR表示数据应放到内存中的什么位置输出时MAR表示要输出的数据放在内存中的什么位置。 DC(Data Counter数据计数器)表示剩余要读/写的字节数。 CR (Command Register命令/状态寄存器)用于存放 CPU 发来的 I/O 命令或设备的状态信息。
CPU干预的频率仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU干预。
数据传送的单位每次读/写一个或多个块
每次读写的只能是连续的多个块且这些块读入内存后在内存中也必须是连续的
数据的流向
读操作数据输入 I/O 设备 → 内存
写操作数据输出内存 → I/O 设备
优点数据传输以“块”为单位CPU 介入频率进一步降低。数据的传输不再需要先经过 CPU 再写入内存数据传输效率进一步增加。CPU 和 I/O 设备的并行性得到提升。
缺点CPU 每发出一条 I/O 指令只能读/写一个或多个连续的数据块。如果要读/写多个离散存储的数据块或者要将数据分别写到不同的内存区域时CPU要分别发出多条 I/O 指令进行多次中断处理才能完成。
3.4. 通道控制方式
通道一种硬件可以理解为是 “ 弱鸡版的 CPU ”。通常可以识别并执行一系列的通道指令。
与 CPU 相比通道可以执行的指令很单一并且通道程序是放在主机内存中的也就是说通道与CPU 共享内存。 CPU 干预的频率极低通道会根据 CPU 的指示执行相应的通道程序只有完成一组数据块的读/写后才需要发出中断信号请求 CPU 干预。
数据传送的单位每次读/写一组数据块。
数据的流向〈在通道的控制下进行)
读操作数据输入I/O 设备 → 内存
写操作数据输出内存 → I/O 设备
优点CPU、通道、I/O 设备可并行工作资源利用率很高。
缺点实现复杂需要专门的通道硬件支持。 4. I/O 软件层次结构 越上面的层次越接近用户越下面的层次越接近硬件。每一层会利用下层提供的服务实现某些功能并屏蔽实现的具体细节向高层提供服务封装思想。
用户层软件实现与用户交互的接口向上提供方便易用的库函数。
设备独立性软件
① 向上层提供统一的调用接口如read/write系统调用
② 设备的保护
③ 差错处理
④ 设备的分配与回收
⑤ 数据缓冲区管理
⑥ 建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系根据设备类型选择调用相应的驱动程序……
设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备状态。
中断处理程序进行中断处理。
硬件执行 I/O 操作有机械部分、电子部分组成。
5. I/O 核心子系统
I/O 核心子系统要实现的功能其实就是中间三层要实现的功能。 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。比如磁盘调度
设备保护
操作系统需要实现文件保护功能不同的用户对各个文件有不同的访问权限。
在 UNIX 系统中设备被看做是一种特殊的文件每个设备也会有对应的FCB。
当用户请求访问某个设备时系统根据FCB中记录的信息来判断该用户是否有相应的访问权限以此实现“设备保护”的功能。
5.1. 假脱机技术SPOOLing技术
5.1.1. 脱机技术 5.1.2. 假脱机技术
“假脱机技术”又称“SPOOLing 技术”用软件的方式模拟脱机技术。SPOOLing 系统的组成如下 打印机是一种 独占式设备 但是可以用SPOOLing技术改造成 共享设备 。 6. 设备的分配与回收
6.1. 安全分配 vs 不安全分配
从进程运行的安全性上考虑设备分配有两种方式
1、安全分配方式为进程分配一个设备后就将进程阻塞本次 I/O 完成后才将进程唤醒。
一个时段内每个进程只能使用一个设备
优点破坏了 “ 请求和保持 ” 条件不会死锁。
缺点对于一个进程来说CPU 和 I/O 设备只能串行工作。
2、不安全分配方式进程发出 I/O 请求后系统为其分配 I/O 设备进程可继续执行之后还可以发出新的 I/O 请求。只有某个 I/O 请求得不到满足时才将进程阻塞。
一个进程可以同时使用多个设备
优点进程的计算任务和 I/O 任务可以并行处理使进程迅速推进。
缺点有可能发生死锁死锁避免、死锁的检测和解除)。
6.2. 静态分配 vs 动态分配
静态分配进程运行前为其分配全部所需资源运行结束后归还资源。
动态分配进程运行过程中动态申请设备资源
6.3. 设备分配管理中的数据结构
设备、控制器、通道之间的关系 一个通道可控制多个设备控制器每个设备控制器可控制多个设备。 6.3.1. 设备控制表DCT
系统为每个设备配置一张DCT用于记录设备情况。 6.3.2. 控制器控制表COCT
每个设备控制器都会对应一张COCT。操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理。 6.3.3. 系统设备表SDT
记录了系统中全部设备的情况每个设备对应一个表目。 6.4. 设备分配的步骤
① 根据进程请求的物理设备名查找SDT。注物理设备名是进程请求分配设备时提供的参数
② 根据SDT找到DCT若设备忙碌则将进程PCB挂到设备等待队列中不忙碌则将设备分配给进程。
③ 根据DCT找到COCT若控制器忙碌则将进程PCB挂到控制器等待队列中不忙碌则将控制器分配给进程。
④ 根据COCT找到CHCT若通道忙碌则将进程PCB挂到通道等待队列中不忙碌则将通道分配给进程。
缺点
① 用户编程时必须使用 “ 物理设备名 ”底层细节对用户不透明不方便编程。
② 若换了一个物理设备则程序无法运行。
③ 若进程请求的物理设备正在忙碌则即使系统中还有同类型的设备进程也必须阻塞等待。
改进方法
建立逻辑设备名与物理设备名的映射机制用户编程时只需提供逻辑设备名。
7. 缓冲区管理 缓冲区是一个存储区域可以由专门的硬件寄存器组成也可以利用内存作为缓冲区。 使用硬件作为缓冲区的成本较高容量较小 一般仅用在对速度要求非常高的场合。
比如联想寄存器 ( 快表 ) 就是硬件作为缓冲区。
一般情况下 更多的是利用内存作为缓冲区。
7.1. 缓冲区的作用 7.2. 单缓冲
假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用单缓冲的策略操作系统会在主存中为其分配一个缓冲区若题目中没有特别说明一个缓冲区的大小就是一个块。 当缓冲区数据非空时不能往缓冲区冲入数据只能从缓冲区把数据传出 当缓冲区为空时可以往缓冲区冲入数据但必须把缓冲区充满以后才能从缓冲区把数据传出。 7.3. 双缓冲
假设某用户进程请求某种块设备读入若干块的数据。若采用双缓冲的策略操作系统会在主存中为其分配两个缓冲区若题目中没有特别说明一个缓冲区的大小就是一个块)。
7.4. 循环缓冲区
将多个大小相等的缓冲区链接成一个循环队列。 注以下图示中橙色表示已充满数据的缓冲区绿色表示空缓冲区。 7.5. 缓冲池
缓冲池由系统中共用的缓冲区组成。
这些缓冲区按使用状况可以分为
1、空缓冲队列
2、装满输入数据的缓冲队列输入队列
3、装满输出数据的缓冲队列输出队列。
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
1、用于收容输入数据的工作缓冲区hin)
2、用于提取输入数据的工作缓冲区sin)
3、用于收容输出数据的工作级冲区( hout
4、用于提取输出数据的工作缓冲区sout。
