4.1 概述

Giovanna

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2024-08-31

I/O系统

设备管理的对象主要是I/O设备。
我们先对I/O设备和设备控制器等硬件做一扼要的阐述。
在I/O系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器和高速总线。
在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。

一、I/O设备

1. 分类

计算机系统中参与I/O的外设大体上分为如下三类：

人可读：适用于计算机用户间的交互，如打印机和终端。终端又包括显示器和键盘，以及其他一些可能的设备，如鼠标。
机器可读：适用于与电子设备通信，如磁盘驱动器、USB密钥、传感器、控制器和执行器。
通信：适用于与远程设备通信，如数字线路驱动器和调制解调器。

2. 差别

I/O设备之间的主要差别：

数据传送速率：数据传送速率可能会相差几个数量级。
应用：设备用途对操作系统及其支撑设施中的软件和策略都有影响。
控制复杂度：打印机仅需要一个相对简单的控制接口，而磁盘的控制接口则要复杂得多。
传输单位：数据可按字节流或字符流的形式传送(如终端I/O)，也可按更大的块传送(如磁盘I/O)。
数据表示：不同的设备使用不同的数据编码方式，这些差别包括字符编码和奇偶校验约定。
错误条件：随着设备的不同，错误的性质、报告错误的方式、错误造成的后果及有效的响应范围，都各有不同。

3. 设备与控制器之间的接口

设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，因此，在I/O设备中应含有与设备控制器的接口。
三种信号
- 数据信号：双向，有缓存。
- 控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作。
- 状态信号：设备发给控制器，后者“显示”。

二、设备控制器

基本功能

接收和识别命令
- 有相应的Register存放命令(命令/控制寄存器)
数据交换
- 实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换
标识和报告设备的状态
- 有设备控制器：“状态寄存器”
地址识别
- CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址及其各寄存器的地址
数据缓冲
- 控制器中设置缓冲器
差错控制

设备控制器的组成

设备控制器与处理机的接口
- 三类型号线：数据线、地址线、控制线。
设备控制器与设备的接口
- 一个或多个设备接口，包含数据、命令、状态3种类型的信号。
I/O 逻辑
- 接收I/O命令，并译码。
- 如下图

三、I/O控制方式

执行I/O的三种技术：

程序控制I/O
中断驱动I/O
直接存储器访问(DMA)

1. 程序控制I/O

处理器代表一个进程给I/O模块发送一个I/O命令；该进程进入忙等待，直到操作完成才能继续执行。
CPU需花代价不断查询I/O状态
- CPU资源浪费极大

程序控制I/O流程：

2. 中断驱动I/O

处理器代表进程向I/O模块发出一个I/O命令。
何谓中断、中断源、中断处理程序？
- 一个进程占有处理器运行时，由于自身或外界的原因(出现了某事件)使运行被打断。让操作系统处理所出现的事件，处理完中断事件之后，再让被打断的进程继续运行，这个过程称为“中断”。
- 把引起中断的事件称为“中断源”。
- 对出现的事件进行处理的程序称为“中断处理程序”。

中断控制的优点

在I/O 设备输入每个数据的过程中，由于无需CPU干预
- CPU与I/O设备可以并行工作
- 提高了整个系统的资源利用率及吞吐量

中断驱动I/O流程

中断类型

外部中断事件
- 计算机故障中断。例如，电源电压超出规定范围，主存储器读写时发生校验错等。
- 输入输出中断事件。例如，输入输出设备引起的I/O事件所引起的硬件中断。
内部中断
- 程序性中断事件。例如，地址越界、除数为“0”及定点溢出等。
- 系统调用中断。指正在运行的进程请求调用操作系统的某个功能服务而执行一条“系统调用”指令所引起的中断。在UNIX中经常把“系统调用中断”称为“访管中断”。

中断响应

处理器每执行完一条指令后，硬件的中断装置立即检查有无中断事件发生，若有中断事件发生，则暂停现行进程的执行，而让操作系统的中断处理程序占用处理器，这一过程称“中断响应”。

中断装置主要是做如下三件事
- 首先检查是否有中断事件发生，并确定中断的原因。
- 若有中断事件发生，则保护好被中断进程的断点以及其他一些信息，以便进程在适当时候能继续执行。
- 根据中断原因找到中断处理程序并启动中断处理程序工作。

中断寄存器

如果有外部中断事件出现，而外部中断源又各不相同。

例如：8259A中断寄存器。

中断向量表

在微机中将中断源统一编号，不同的中断源有不同的中断类型编号。
每一个中断类型号对应一个中断处理程序。
中断向量表中存放各个中断处理程序的入口地址。
在计算机系统初始化时，根据设备处理程序在内存中的位置，由引导程序完成中断向量表的建立。

中断屏蔽寄存器

中断屏蔽寄存器的各位与中断寄存器的各位相对应。当中断屏蔽寄存器的相应位置为“1”时，则中断输入被屏蔽(禁止)。当中断屏蔽寄存器的相应位置为“0”时，则相应的中断被允许。
中断分为：可屏蔽中断和不可屏蔽中断(NMI)。
在微机中仅有IRQ0～IRQ7是可以屏蔽的。其余的为不可屏蔽中断。

中断优先级

中断优先级是按中断事件的重要性和紧迫程度来确定的。
中断装置是按预定的顺序响应同时出现的中断事件。
这个顺序可以由编程实现。
不同的系统对中断优先级的划分不尽相同。

IBM 360/370系列计算机系统的中断处理

把中断分为5类：硬件故障类、程序性事件类、外部事件类、输入输出类和访管中断类。
程序状态字(PSW)是用来控制指令执行顺序并且保留和指示与程序相关的系统状态。

中断响应过程由交换PSW完成

整个中断处理过程

3. DMA I/O控制

DMA控制方式的引入

为了进一步减少CPU对I/O的干预，而引入了直接存储器访问(Direct Memory Access)方式。
该方式的特点是：
1. 数据传输的基本单位是数据块，即CPU与I/O设备之间，每次传送至少是一个数据块。
2. 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者从内存送到设备输出。
3. 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通道控制器的控制下完成的。