041-设备管理

I/O

• I/O 设备

• I/O 操作

• I/O 设备的分类

  • 信息传输视角：输入设备、输出设备、输入输出设备

  • 交互功能视角：人机交互设备、存储设备、机机通信设备

  • 设备管理

    • 字符设备：以字符为单位进行数据传输的设备，顺序访问，鼠标、显示器

    • 块设备：以块为单位进行数据传输的设备，随机访问，硬盘、光盘

    • 网络设备：网卡、路由器

• 设备管理的目标

  • 解决设备与 CPU 之间的速度差异，提升 CPU 的利用率

  • 屏蔽设备的异构性，提供统一的接口

• 设备管理的功能：设备中断管理、缓冲区管理、设备分配/去配、设备驱动调度、虚拟设备实现

• 设备管理实现层次

  • I/O 硬件：设备、接口线路、控制部件、通道

  • I/O 软件：系统、用户

设备控制器

• 设备：机械部件（设备本身）+ 电子部件（控制器）

• 系统（CPU）与控制器交互，不直接与设备交互

• 控制器控制设备

• 功能

  • 接受/识别 CPU 或通道发来的命令

  • 实现数据交换

  • 发现/记录设备及自身的状态信息，供系统查询（CrystalDiskInfo）

  • 连接多台设备时，识别设备地址

设备控制器的组成

• 设备侧的外设接口

  • 数据：双向

  • 状态：设备 -> 控制器

  • 控制：控制器 -> 设备

• 主机侧

  • 数据缓冲寄存器 & 状态/控制寄存器 <-> 数据线

  • 地址译码和 I/O 控制逻辑 <-> 地址线 控制线

I/O 控制方式

I/O 控制方式

轮询

1. 处理器向控制器发送 I/O 命令，轮询结果

2. 若未就绪则重复测试，直至就绪

3. 执行内存数据交换

4. 待 I/O 完成后，处理器继续其他操作

中断：减少 CPU 等待 I/O 的时间

1. 处理器向控制器发送 I/O 命令

   • 若进程支持异步 I/O，则继续执行该进程其他指令

   • 否则将进程在该中断上挂起，处理器执行其他工作

2. 控制器检查设备状态，就绪后发出中断

3. CPU 响应中断，进行中断处理

4. 中断处理程序执行内存数据交换

DMA：减轻 CPU 处理 I/O 的负担

1. 处理器向 DMA 控制器发送 I/O 命令

2. 处理器继续执行其他指令，DMA 模块传送全部数据

3. 数据传送结束后，DMA 中断处理器

周期窃取

CPU 将总线的占有权交给 DMA 控制器几个周期，进行访存

影响不大：CPU 访存次数少，和 Cache 交换多

控制方式	CPU 等待	数据经过CPU
轮询	是	是
中断	否	是
DMA	否	否

I/O 通道

出现于 1950s 的大型机（PPT 太古早了），复杂度较 DMA 更高，可并行处理多个 I/O 任务

• 四级连接：CPU -> I/O 通道 -> 控制器 -> 设备

• 工作流程

  1. 启动：CPU 遇 I/O 任务时组织通道程序，将其地址写入通道程序地址字 CAW，启动通道

  2. 执行：通道从 CAW 获取程序，进行 I/O 操作，CPU 继续执行其他任务

  3. 完成：通道完成 I/O 操作后，向 CPU 发送中断请求，从通道程序状态字 CSW 中获取执行情况，处理 I/O 操作

总线

单总线结构模型

• 将 CPU、内存、I/O 设备连接在同一条总线上

• 优点：结构简单

• 缺点：慢速设备挤占带宽

三级总线模型

• 局部总线：CPU、Cache、局部 I/O 控制器

• 主存总线：Cache、主存、拓展总线接口

• 拓展总线：拓展总线接口、各类设备

• 优点：分离 CPU 访存和设备访问

• 缺点：不适用于 I/O 设备速率相差太大的情形

南桥/北桥

ppt 上面的太老了，现在都没北桥了

大学四年就被这些内容浪费，希望学弟学妹们能找到点好用的自学课程吧。。。

• 北桥：连接CPU、主存、显卡

• 南桥：连接 I/O 设备

基于通道的服务器总线模型

• 四级连接：CPU -> I/O 通道 -> 控制器 -> 设备

• 树状结构，下层节点的设备进行传输无需经过上层设备

I/O 软件

层次	功能说明
用户空间的 I/O 软件	I/O 系统调用，I/O 格式化，SPOOLing
独立于设备的 I/O 软件	设备的命名、保护、阻塞、缓冲、分配、跟踪
I/O 设备驱动程序	设备寄存器初始化，启动 I/O 操作，检查 I/O 状态
I/O 中断处理程序	处理 I/O 中断，报告 I/O 错误，唤醒 I/O 设备驱动程序
I/O 硬件	执行 I/O 操作

• 设计目标：高效率、通用性

• 要考虑的问题

  • 设备无关性

  • 错误处理

  • 传输模式

    • 同步：阻塞进程，等待 I/O 完成

    • 异步：中断驱动

  • 缓冲技术

• I/O 软件的层次结构：请求由高向低，应答由低向高

  • 用户空间 I/O 软件：库函数、虚拟设备软件、系统调用、I/O 格式化、Spooling

  • 独立于设备的 I/O 软件（与设备种类、型号无关）

    • 设备命名：通过路径名寻址设备

    • 设备保护：权限控制

    • 提供与设备无关的数据单位：字符/块

    • 缓冲技术

    • 分配/状态跟踪

    • 错误管理 & 报告

  • I/O 设备驱动程序：与设备密切相关的部分，将逻辑请求转化为物理操作

    • 设备初始化

    • 启动 I/O 操作，组织通道程序，启动通道工作

    • 检查 I/O 状态，处理中断，纠错

    • 层次化：高层（类设备），低层（具体设备），建立栈进行调用

  • I/O 中断处理程序：与硬件相关，在数据完成传输，产生中断后转入此地

    • 检查寄存器，判断中断原因

      • 若出错：向上层软件报告出错信息，重新执行

      • 正常结束：唤醒等待传输的进程，使其转为就绪态

      • 若有等待传输的 I/O 命令，继续启动下一个 I/O 请求

  • I/O 硬件

I/O 操作执行步骤

1. 进程对已打开文件的文件描述符执行read或write库函数

2. 独立于设备的 I/O 软件检查 Cache 中是否存在信息

   • 若存在则直接返回

   • 若不存在执行物理 I/O，将设备逻辑名转为物理名，检查权限，排队 I/O 请求，阻塞进程等待 I/O 完成

3. 内核启动驱动程序，分配读出块的缓冲区，准备接收数据，向设备控制寄存器发启动命令/建立 DMA 传输，启动 I/O 操作

4. 设备控制器操作设备，执行数据传输/ DMA 操作完成，向 CPU 发送中断请求

5. CPU 响应中断，执行中断处理程序，待应用进程调起时继续执行

I/O 缓冲

• 内存中开辟的缓冲区，存放临时数据，读写均经由缓冲区

• 作用：提高效率、减少中断次数，屏蔽设备速度差异，提高并行性……

• 分类

  • 单缓冲：当用户进程和设备无法同时操作缓冲区

  • 双缓冲：两个缓冲区，相同时间内硬件和用户进程各和一个缓冲区交互，待数据传输后切换

  • 循环缓冲：多个缓冲区，每个缓冲区有指向下一个缓冲区的指针，形成环形队列