中断原因分析 I/O请求设备
设备分配程序 唤醒中断 处理程序
I/O控制
缓冲区管理
中断响应
启动I/O指令、设备驱动 程序或通道程序
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I/O控制的实现
I/O控制过程在系统中可以按三种方式实现
作为请求I/O操作的进程的一部分实现 作为当前进程的一部分实现 I/O控制由专门的系统进程 — I/O进程完成：

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4）通道
通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道 指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移 操作），并可执行用这些指令编写的通道程序

通道运算控制部件
通道地址字 CAW： 记录通道程序在内存中的地址 通道命令字 CCW： 保存正在执行的通道指令 通道状态字 CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字 CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I/O结束时，唤醒设备服务子程 序 执行I/O操作
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（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对I／O数 据进行格式化，为假脱机输入／输出作准备
（2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保 护、成块处理、缓冲技术和设备分配
（3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执 行状态 （4）中断处理程序负责I／O完成时，唤醒设备驱动 程序进程，进行中断处理 （5）硬件层实现物理I／O的操作
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通道连接
通道连接：一个通道可连接多个控制器，一
个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接
主要目的是启动外设时：


提高了控制器效率 提高可靠性 提高并行度
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3. 中断处理技术

指令执行的过程中，外部设备或计算机内部可能 会发来急需处理的信号，需要处理机暂停正在执 行的程序，转去执行相应的紧急事件，待处理完 毕再返回原处继续执行，这一过程称为中断。
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4.设备驱动程序
设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动
程序处理一种设备类型 每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器，用来存放向 设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令， 并监督它们正确执行 设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的 抽象请求，并执行这个请求。 在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后，系统有两 种处理方式，多数情况下，执行设备驱动程序的进程必须 等待命令完成，这样，在命令开始执行后，它阻塞自已， 直到中断处理时将它解除阻塞为止。而在其它情况下，命 令执行不必延迟就很快完成
因而耗费大量时间轮询信息，严重地降低了系 统性能
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外围设备 接收到start命令
CPU 发start命令
做接收或发送数据准备
否 准备完毕？ 是 标志触发器置“done” 等待CPU来的下条指令
是
设备标志触发 器为done”？ 否 等 待
执行下条指令 开始数据传送
(a)
(b)
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I/O设备1
I/O控制器1
CPU
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中断控制方式的处理过程
设备 接 收 到 CPU 发 来 的 start指令 准备数据并将其 置入缓冲寄存器 否 CPU 向设备发start指令 将中断允许位置1 调度程序调度其 他进程 其他进程执行
缓冲寄存器满吗？ 是 控制器发中断信号
否
收到中断信号了吗？ 中断处理 被中断进程执行
进程P等待该设备空 闲
搜索COCT找到CHCT指针 是 通道忙？ 否 分配通道给进程P 启动I/O 进程P 等待通道
设备分配流程图
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※ I/O系统的设备分配 按如下步骤实施设备分配：
(1) 分配设备。
(2) 分配控制器。 (3) 分配通道。
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8. I/O控制
由进程P来的I/O请 求 搜索SDT找到DCT指针 是
A 搜索DCT指针， 找到COCT指针 是 进程P等待控制器
查DCT 该设备忙？ 否 按分配策略选取 占据该设备的进程
进程P按分配策略 入I/O等待队列 否
控制器忙吗 ？ 否 分配控制器给进程P
进程P被选 中？ 是 检查该设备分配给 进程P的安全性 否 安全吗？ 是 该设备分配给进程P A
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3)DMA方式
CPU 内存 磁盘 控制器 驱动器
缓冲器 DMA寄存器 计数 系统总线 内存地址 计数
DMA方式下的数据传输
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数据传输处理过程如下： ① 当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入数据的内存始 址及要传输的字节数分别送入DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节 计数器；另外，还要把控制/状态寄存器中的中断允许位和启动位置1， 从而启动设备，开始数据输入。 ② 发出数据输入要求的进程进入阻塞状态， 进程调度程序调度 其它进程占有CPU。 ③ 输入设备不断地挪用CPU工作周期， 将数据从内部缓冲区源源 不断地送入内存，直至所要求的字节数全部传送完毕。 ④ DMA控制器在传输完成时通过中断请求线发出中断信号， CPU 接到中断信号后转中断处理程序进行相应处理。 ⑤ 中断处理结束后， CPU返回被中断的进程或去运行重新被调度 的进程。
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6.用户层的I／O软件
尽管大部分I／O软件都包含在操作系统中，但仍 有一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程， 甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用， 包括I／O系统调用，通常由库过程实现
这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参 数放在合适的位置，由其它的I／O过程实际实现 真正的操作
设备标识
通道标识 通道忙/闲标记 通道等待队列首 通道等待队列尾 ┇
CHCT
设备忙/闲标记 COCT指针 设备等待队列首 设备等待队列尾 驱动程序地址
DCT
┇
COCT
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设备使用率低
静态分配
设备分配原则
动态分配
有可能造成死锁
先请求先分配
设备分配策略
优先级高者先分配
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1.独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要 的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口 2.如何给文件和设备这样的对象命名是操作系统中的一 个主要课题。独立于设备的软件负责把设备的符号名 映射到正确的设备驱动上（linux上文件映射） 3.设备保护：系统防止无权存取设备的用户存取设备 4.不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。设备独立软件 向较高层软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸。 它可将若干扇区合成一个逻辑块。较高层的软件只与 抽象设备打交道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长 的逻辑块 5.缓冲技术 6.设备分配 7.出错处理
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驱动程序所处地位
用户进程
文件系统
设备驱动程序 设备控制器
设备本身
用户进程请求设备服务的流程
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5.设备独立的软件
虽然I／O软件中一部 分是设备专用的，但 大部分软件是与设备 无关的。设备驱动程 序与设备独立软件之 间的确切界限是依赖 于具体系统的
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传送字节数 ＝0？吗？
是
发中断信号 停止I/O操作
是
转中断处理
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DMA方式与中断的主要区别

中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求， CPU进行中断处理 DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束 时要求CPU进行中断处理 大大减少了CPU进行中断处理的次数 中断方式的数据传送是由CPU控制完成的 DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制 完成的
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设备 DMA控制器接收到start 指令 启动设备准备数据
DMA方式
CPU
数据入数据缓冲寄存器
缓冲寄存器内容入内存 改变传送字节数计数器 与内存地址寄存器内容 否
发start命令 内存地址 内存始址寄存器 传送字节数字节计数器 允许中断位与启动位置1
当前进程被阻塞， 调度程序调度其他进程运行 被调度的进程执行 接收到中断 信号吗？ 否
三、输入/输出软件
1. 层次结构： 中断处理程序
设备驱动程序
与设备无关的I/O软件 用户层的输入/输出软件
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I/O请求
I/O应答
4-用户进程 3-设备无关软件
进行I/O调用：格式化I/O
命名、保护、阻塞、缓冲、分 配 设置设备寄存器、检测状态
设备服务子程序 2-设备 驱动程 序 1-中断处理程序 硬指令i+1
...
用户程序
...
中断处理 程序
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中断处理时的指令执行周期
读入中断 处理指令
N 开始
读入下 一条指令 执行 当前指令 允许 中断吗？ 检查 中断位
结束
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关中断
中 断 处 理 过 程
保存被中断现场 分析中断原因 转中断处理子程序 执行中断处理子程序 恢复现场 开中断 返回中断点
每类(个)设备设一专门的I/O进程，且该进程只能 在系统态下执行 整个系统设一I/O进程，全面负责系统的数据传送 工作 每类(个)设备设一个专门的I/O进程，但该进程既 可在用户态也可在系统态下执行
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设置数据结构：

设备控制表DCT
系统设备表SDT
控制器表COCT 通道控制表CHCT
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系统设备表 STD
表目1 ┇
表目i ┇
设备类型 设备标识