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5.2 I/O软件原理

5.2.1 I/O软件的目标

1. 统一命名

   文件或设备名称是字符串或证书，不依赖具体机器

2. 设备独立性

   程序可以访问任何I/O设备，无序提前指定

3. 同步和异步传输

   同步传输（即阻塞）：程序等待I/O操作完成

   异步传输（即中断驱动）：程序继续执行，I/O完成后通过中断通知

4. Buffering

   设备产生的数据无法直接存放到目标内存，需要暂存到缓冲区

5. 错误处理

   尽可能在接近硬件的层面处理

6. 共享设备和独占设备

   共享设备：磁盘能同时让多个用户使用

   独占设备：磁带机必须由单个用户独占使用

5.2.2 程序控制I/O

1. CPU直接控制I/O直到I/O完成

   • 适用于单进程系统（MS-DOS、嵌入式系统（Embedded systems）

   • 不适用于多道程序设计和分时系统

2. 轮询/忙等

   • CPU不断检查设备状态寄存器来检测设备是否准备就绪

   • 三种状态

     • Ready

     • Busy

     • Error

   • 缺点：CPU浪费（CPU需处于忙等来等待I/O）

5.2.3 中断驱动I/O

1. CPU在发送第一个字符后，不再轮询等待，而是打印机READY时会发送硬件中断，再让CPU处理

2. 缺点：每次字符输入都会发生中断

5.2.4 使用DMA的I/O

1. DMA控制器会把内核缓冲区的字符串输给打印机控制器，CPU不参与这个过程

2. 传输完整个缓冲区（字符串），CPU才会被再次中断

5.3 ⭐I/O软件层次

5.3.1 中断处理程序

1. 最好隐藏中断处理程序

   • 把启动一个I/O操作的驱动程序阻塞，直至I/O操作完成并产生一个中断

   • 如何阻塞驱动程序

     • 在一个信号量上执行down

     • 在一个条件变量上执行wait

     • 在一个消息上执行receive

2. 中断处理程序的位置由中断向量确定

3. 中断处理流程

   • 硬件

     1. 发出中断

     2. 处理器执行完当前指令

     3. 处理器发出中断确认信号

     4. 处理器将PSW和PC推入控制栈

     5. 处理器根据中断加载新PC值

   • 软件

     6. 保存剩余进程状态信息

     7. 进程中断

     8. 恢复进程状态信息

     9. 恢复旧的PSW和PC

4. 软件中的具体步骤

   1. 保存没被中断硬件保存的所有寄存器

   2. 为中断服务过程设置上下文，如TLB、MMU和页表

   3. 为中断服务过程设置堆栈

   4. 确认中断控制器，重启中断

   5. 将寄存器从它们被保存的地方复制到进程表

   6. 运行中断服务进程

   7. 选择下一次运行哪个进程

   8. 为下一次要运行的进程设置MMU上下文

   9. 装入新进程的寄存器

   10. 开始运行新进程

5.3.2 ⭐设备驱动程序（Device Driver）

1. 用来控制I/O设备的特定代码

2. Device driver的逻辑定位

   用户程序 -> 操作系统的其余部分 -> Device driver -> 总线 -> Device controller -> Device

3. 功能

   • 接收OS抽象的读/写请求

   • 初始化设备

   • 发送硬件命令

   • 请求队列管理

   • 错误处理

4. 分类

   • 块设备驱动程序：磁盘

   • 字符设备驱动程序：键盘和打印机

5.3.3 ⭐Device-Independent的OS软件

功能

1. Device driver的统一接口

   • 好处

     1. 驱动开发者知道驱动程序接口是什么样

     2. 操作系统开发者能基于接口编写device-independent的I/O功能

   • 解决给I/O设备命名（以Unix为例）

     • 设备被抽象为特殊文件，需要通过系统调用（如read()等）访问

     • 文件名与每个设备关联，并确定一个包含主设备号和次设备号的i节点

       • 主设备号：定位驱动程序

       • 次设备号：作为参数传递给驱动程序，以指定读/写的单元（区分同一驱动的不同设备）

     • 通常的文件保护规则也适用于I/O设备

2. 缓冲

3. 错误报告

   处理层级

   1. Device-controller

      如校验错误

   2. Device driver

      如无法读取磁盘

   3. Device-independent的OS软件层

      • 编程错误（写入只读设备）

      • 实际的I/O错误（摄像头关机）

4. 分配与释放专用设备

   不允许并发访问

5. 提供device-independent块大小

   不同磁盘扇区大小可能不同，应由device-independent软件隐藏并向高层提供统一块大小

5.3.4 功能

1. 封装系统调用

2. 格式化I/O处理（如printf()）

3. 假脱机管理

5.3.5 总结

流程（双向）

1. I/O请求

2. 用户进程

3. Device-independent软件

4. Device driver

5. 中断处理

6. 硬件

7. 响应

5.4 Disks

5.4.1 盘硬件

1. 柱面(cylinder)->磁道(track)->扇区(sector)

2. 扇区通常512B

3. 磁盘可能有多个环带

4. 因为本来每个磁道扇区数相同，越外圈每个扇区越大，会造成浪费。所以在外面的磁道有更多扇区

5.4.2 磁盘格式化

1. 磁盘使用前要先进行低格式化和高格式化

   • 低格式化

     • 将磁盘分为磁盘控制器可读写的扇区

     • 由供应商完成

     • 磁道格式化方式

       • 分为由inter-sector-gap间隔的扇区

       • 扇区格式：前导码+数据+校验码

2. ⭐柱面斜进（cylinder skew）

   • 当磁盘读取完一个磁道，磁头需要移动到下一个磁道。在移动过程中，盘面一直在旋转，为保证磁头能从本磁道的末尾恰好移动至下一磁道开头，就需要柱面斜进

   • 目的：改进性能，让磁盘在一次连续的操作中读取多个磁道而不丢失数据

   • 例：How much cylinder skew is needed for a 7200-RPM disk with a track-to-track seek time of 1 msec? The disk has 200 sectors of 512 bytes each on each track.

     • 7200转/分钟=0.12转/毫秒，磁道间寻道的这1毫秒期间，盘面会转过200*0.12=24个扇区。所以答案是24

3. 扇区交错（interleaving）

   • 若磁盘控制器只有一个扇区buffer，当一个扇区数据从硬盘传输至buffer后，需要把buffer数据拷贝至内存。此期间磁头将越过下一个扇区起始位置，因此下一个逻辑扇区不应是相邻的物理扇区，所以山区要交错排列

   • 复制快可用单交错，复制慢可用双交错

5.4.3 ⭐磁盘臂调度算法

1. 决定读写磁盘块时间的因素

   • 寻道时间

     磁盘臂移动至适当柱面的时间

   • 旋转延迟

     等待适当扇区旋转到磁头下所需时间

   • 实际数据传输时间

2. ⭐FCFS

3. ⭐Shortest Seek First（SSF）

4. ⭐Elevator Algorithm