1. I/O系统的基本功能及模型

1)主要功能：

1.隐藏物理设备细节，方便用户

用户使用抽象的I/O命令即可

2.实现设备无关性，方便用户

用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。

3.提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理

4.对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理

5.确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等

6.错误处理

2)I/O/系统的层次结构和模型

层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次

层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。

I/O软件系统的层次

中断处理程序

¨处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互

设备驱动程序

¨处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序

¨功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中

设备独立性软件

¨包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件

 I/O系统接口

块设备

¨数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。

特点

¨隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。

¨将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。  

字符设备：

¨数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。

nget和put操作：

¨由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。

nin-control指令：

¨因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能）。

I/O系统的组成

包括：

需要用于输入、输出和存储信息的设备；

需要相应的设备控制器；

控制器与CPU连接的高速总线；

有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

1）I/O设备的类型

     I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下：

Ø按传输速率分类：

Ø低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘）

Ø使用：存储设备、输入输出设备

Ø按信息交换的单位分类：

Ø块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制

Ø字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制

2）设备控制器

设备并不直接与CPU通信

计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。

控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。

①基本功能

1.接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）

2.标识和报告设备的状态（状态寄存器）

3.数据交换（数据寄存器）

4.地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）

5.数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）

6.差错控制

3）I/O通道

①I/O通道设备的引入

设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预

（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能）

但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。

在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”

设置通道后

¨CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。

¨通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。

②通道类型

根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型：

1)字节多路通道

2)数组选择通道

3)数组多路通道

1.驱动程序的功能

(1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；

(2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；

(3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；

(4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

2.设备驱动程序的特点

(1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。

(2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。     

(3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。

(4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。

(5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。

3.设备处理方式

具体分类

¨(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统；

¨(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；

¨(3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。

 5.  I/O控制方式

程序I/O方式

中断驱动I/O方式

直接存储器访问DMA（字节—块）

I/O通道控制方式（组织传送的独立）

宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

设备独立性（无关性）

用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；

好处：

1.设备分配时的灵活性

     3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机

2.易于实现I/O重定向

  指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。

程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。