[嵌入式]操作系统（⑤）I/O设备

操作系统（⑤）I/O设备

I/O设备的基本概念和分类

什么是I/O设备：即输入输出设备

I/O设备分类

低速设备

中速设备

高速设备

信息交换单位分类

块设备

字符设备

I/O控制器

CPU与设备部件的中介

I/O控制器的功能

接收和识别CPU发出的命令：I/O控制器中有响应的内存控制器

向CPU报告设备的状态：控制器中有相应的状态寄存器，记录I/O设备当前的状态

数据交换：设置数据寄存器暂时存储数据

地址识别：为了识别设备控制器中的寄存器，也需要为寄存器设置地址

I/O控制器结构

寄存器

数据寄存器：存放读出或等待写入的数据

控制寄存器

状态寄存器：记录当前设备状态（0、1，标识就绪、未就绪）

I/O逻辑：芯片，对CPU发来的指令进行处理和执行

控制器与设备接口：与I/O设备进行交互

I/O控制方式

1. 读写操作的流程
2. CPU干预读写的频率
3. 数据传送的单位
4. 数据的流向
5. 主要优缺点

程序直接控制

读操作流程

1. CPU向控制器发出读指令，设备启动，状态寄存器设置为1（未就绪）
2. CPU轮询检查控制器状态（还未准备好就不断轮询）
3. 输入设备准备好数据之后将数据传输给设备控制器，并报告自身状态（已就绪，0）
4. 控制器将输入的数据存放到寄存器中，将状态改为0（已就绪）
5. CPU读入数据，先将数据放入CPU寄存器，而后放入内存中
6. 继续读则重复步骤1

CPU干预的频率

不断进行轮询检查，每个字的读写都需要CPU介入

数据传输单位：字

数据流向

读：I/O -> CPU -> 内存

写：内存 -> CPU -> I/O设备

优缺点

优：实现简单

缺：CPU与I/O只能串行工作，长期处于忙等状态

中断驱动

在程序驱动的基础上

读操作流程

由于I/O的效率较低，因此等待I/O的过程中将等待I/O的进程阻塞

I/O完成后，I/O控制器向CPU发送中断信号，在处理中断的过程中，数据I/O控制器 -> CPU寄存器 -> 内存

CPU恢复阻塞的I/O进程的运行环境让其继续执行

CPU干预频率

I/O操作开始和结束

数据传送单位：每次读/写一个字

数据流向

数据流向

读：I/O -> CPU -> 内存

写：内存 -> CPU -> I/O设备

优缺点

CPU与 I/O设备能并行工作，CPU利用率明显提升

每次传送一个字，每次传送都要中断，导致读写大量数据时频繁的中断处理消耗了大量的CPU时间

DMA：Direct Memory Acess，直接存储器存取

数据传送单位是块

数据流向不经过CPU

传送块的开始和结束时才需要CPU参与

DMA控制器

主机-控制器接口		块设备-控制器接口
DR
MAR
DC
CR

DR：暂存从设备到内存或内存到设备的数据

MAR：输入时，MAR标识数据应该放在内存的什么位置，输出时标识要输出的数据放在内存中的位置

DC：剩余字节数

DC：存放CPU发来的I/O命令

DMA本身也是一个个字读取，只是这个过程相对CPU是透明的

CPU干预的频率

一个或多个块开始和结束时干预

数据传送单位

一个或多个（连续的）块

这些块读入内存后也必须连续存放

优缺点

以块为单位读写，CPU介入频率进一步降低，CPU运行效率和数据传输效率增加

每一条I/O指令只能读写一个块或若干连续的块

通道控制

通道可以执行一系列通道指令

读操作流程

1. CPU向通道发出I/O指令，指明通道程序在内存中的位置，并指出要操作的是哪一个I/O设备，之后CPU切换到其他进程
2. 通道执行内存中的通道程序

CPU的干预频率

极低，只有完成一组数据块的读写后通道才发出中断信号请求CPU介入

数据传送单位

一组数据块

数据的流向

I/O设备 -> 内存

内存 -> I/O设备

优缺点

CPU，通道，I/O设备并行工作，资源利用率极高

实现复杂，需要专门硬件支持

I/O软件的层次结构

I/O系统体系结构
用户层软件
设备独立性软件
中断处理程序

用户层软件

提供与用户交互的接口（易用的库函数）

设备独立性软件

1. 提供同一的用户接口
2. 设备的保护（权限）
3. 差错处理
4. 设备的分配与回收（设备都是临界资源，存在同步与互斥的相关关系）
5. 缓冲区管理（缓冲区的存在意义是保证不同设备间的一致性）
6. 建立逻辑设备名与物理设备名的映射（逻辑设备表LUT），根据设备选择驱动

LUT的管理

整个系统一张LUT（单用户系统）

每个用户一张LUT：逻辑设备名可重复。LUT存放在用户进程的PCB中

设备驱动程序

负责对硬件设备的具体控制，将上层命令转换为设备能接受的命令（不同设备有不同的硬件特性）

设置设备寄存器，检查设备状态

中断处理程序

系统根据中断信号的类型进行中断处理

I/O核心子系统

即设备独立性软件、设备驱动程序、中断处理程序需要实现的功能

层次结构	实现的功能
用户层软件（不属于I/O核心子系统）	假脱机（SPOOLing)技术
设备独立性软件	I/O调度，设备保护，设备分配与回收，缓冲区管理
设备驱动程序
中断处理程序

I/O调度算法：如文件章节所述的磁盘调度算法，打印机等设备的思路也类似

设备保护：OS将设备视为一种特殊的文件，将设备的权限写在设备文件的FCB中

假脱机技术（SPOOLing)

什么是脱机技术，解决了什么问题

批处理阶段引入了脱机输入/脱机输出技术

脱机：脱离主机的控制进行I/O的操作，即使CPU忙碌，也可以输入输出

假脱机技术的实现原理：软件方式模拟脱机技术

输入井与输出井

在磁盘上开辟输入井和输出井两个存储区域

输入井用于收容I/O设备输入的数据

输出井用于收容用户写入I/O设备的数据

输入进程与输出进程：需要支持多道程序并发执行的设备

模拟“外围控制机”

输入进程将数据放入输入井

输出进程将数据取出输出井

输入缓冲区与输出缓冲区

位于输入/输出井中

共享打印机的原理分析

概念回溯

独占式设备：只允许各进程串行使用的设备

共享设备：允许多个进程“同时”使用设备

串行设备打印机的共享实现

多个用户提出输出打印的请求时，系统同意所有请求，但不真正分配打印机

由假脱机管理进程执行

在输出井中为进程申请一个空闲缓冲区，将要打印的数据输入其中

在假脱机文件队列上添加打印请求表

缓冲区的分配与回收

本质上是设备的分配与回收

设备分配时应考虑的因素

设备的固有属性：独占/共享/虚拟设备（SPOOLing技术）

设备分配算法：类似进程调度算法

设备分配中的安全性

安全分配方式

为进程分配一个设备后就阻塞，I/O结束后再将其唤醒

一个时段内每次进程只能使用一个设备

破坏了“请求与保持”的条件，不会发生死锁，但对于一个进程来说CPU与I/O只能串行工作

不安全分配方式

分配设备后不阻塞

静态分配与动态分配：进程运行前是否分配全部资源

设备分配管理中的数据结构

设备分配的步骤

设备分配步骤的改进方法