I/O 操作的实现 用户空间 I/O 软件 I/O 硬件与软件的接口 内核空间 I/O 软件. I/O 和文件操作 ° 主要教学目标 – 通过揭示高级语言程序中的 I/O 及文件操作请求的底层实 现机制，使学生深刻理解 OS 在输入 / 输出系统中的重要 作用；深刻理解计算机中硬件和软件如何协调工作以完.

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1 I/O 操作的实现 用户空间 I/O 软件 I/O 硬件与软件的接口 内核空间 I/O 软件

2 I/O 和文件操作 ° 主要教学目标 – 通过揭示高级语言程序中的 I/O 及文件操作请求的底层实 现机制，使学生深刻理解 OS 在输入 / 输出系统中的重要 作用；深刻理解计算机中硬件和软件如何协调工作以完 成计算机功能。 ° 主要教学内容 –I/O 子系统的组成和层次结构 – 用户空间 I/O 软件 –I/O 硬件与软件的接口 – 内核空间 I/O 软件

3 DMA 方式的基本要点 °DMA 方式的基本思想 在高速外设和主存间直接传送数据 由专门硬件（即： DMA 控制器）控制总线进行传输 °DMA 方式适用场合 高速设备（如：磁盘、光盘等） 成批数据交换，且数据间间隔时间短，一旦启动，数据连续读写 ° 采用 “ 请求 - 响应 ” 方式 每当高速设备准备好数据就进行一次 “DMA 请求 ” ， DMA 控制器接受 到 DMA 请求后，申请总线使用权 DMA 控制器的总线使用优先级比 CPU 高，为什么？ ° 与中断控制方式结合使用 在 DMA 控制器控制总线进行数据传送时， CPU 执行其他程序 DMA 传送结束时，要通过 “DMA 结束中断 ” 告知 CPU

4 读一个磁盘扇区 - 第一步 Main memory ALU Register file CPU chip Disk controller Graphics adapter USB controller mouse keyboard Monitor Disk I/O bus Bus interface CPU 对 DMA 控制器初始化： 将传送方向（读）、传送数据个数、 磁盘逻辑块号、主存起始地址等参数 送到 DMA 控制器 发送 ” 启动 DMA 传送 “ 命令 DMA 控制器 传送数据个数被 送到计数器中

5 读一个磁盘扇区 – 第二步 Main memory ALU Register file CPU chip Disk controller Graphics adapter USB controller MouseKeyboardMonitor Disk I/O bus Bus interface 磁盘控制器读相应的扇区，并由 DMA 控制器控制总线把数据从磁盘控制器 送主存，此时， CPU 执行其他进程 DMA 控制器 每传送一个数据 ，则计数器减 1

6 读一个磁盘扇区 – 第三步 Main memory ALU Register file CPU chip Disk controller Graphics adapter USB controller MouseKeyboardMonitor Disk I/O bus Bus interface 当 DMA 传送结束 ( 计数为 0) ， DMA 控制器 向 CPU 发出 “DMA 结束中断请求 ” ，要求 CPU 进行相应的后处理。 DMA 控制器

7 DMA 方式下 CPU 的工作 copy_string_to_kernel(strbuf, kernelbuf, n); // 将字符串复制到内核缓冲区 initialize_DMA ( ); // 初始化 DMA 控制器（准备传送参数） *DMA_control_port=START;// 发送 “ 启动 DMA 传送 ” 命令 scheduler ( ); // 阻塞用户进程 P ，调度其他进程执行 acknowledge_interrupt();// 中断回答（清除中断请求） unblock_user ( );// 用户进程 P 解除阻塞，进入就绪队列 return_from_interrupt(); // 中断返回 例子：采用 DMA 方式进行字符串输出 sys_write 进行字符串输出的程序段 : ”DMA 结束 “ 中断服务程序： CPU 仅在 DMA 控制器初始化和处理 “DMA 结束中断 “ 时介入，在 DMA 传送过程中不参与，因而 CPU 用于 I/O 的开销非常小。 DMA 控制器接受到 “ 启动 ” 命令后，控制总线进行 DMA 传送。通常用 ” 周期挪用 法 “ ：设备每准备好一个数据，挪用一次 ” 存储周期 “ ，使用一次总线事务进行 数据传送，计数器减 1 。计数器为 0 时，发送 DMA 结束中断请求

8 例：中断、 DMA 方式下 CPU 的开销 设处理器按 500MHz 的速度执行，硬盘控制器中有一个 16B 的数据缓存器，磁盘传 输速率为 4MB/Sec ，在磁盘传输数据过程中，要求没有任何数据被错过，并假定 CPU 访存和 DMA 访存没有冲突。 （ 1 ）若用中断方式，每次传送的开销（包括用于中断响应和处理的时间）是 500 个 时钟周期。如果硬盘仅用 5% 的时间进行传送，那么处理器用在硬盘 I/O 操作上所 花的时间百分比（主机占用率）为多少？ （ 2 ）若用 DMA 方式，处理器用 1000 个时钟进行 DMA 传送初始化，在 DMA 完成后的 中断处理需要 500 个时钟。如果每次 DMA 传送 8000B 的数据块，那么当硬盘进行 传送的时间占 100% （即：硬盘一直进行读写，并传输数据）时，处理器用在硬盘 I/O 操作上的时间百分比（主机占用率）为多少？ 想象一下：假定大仓库门口有一个箱子，可放 16 个零件。要将大仓库中的一批零 件运到小仓库中，可以有几种方法？ 中断方式：每装满一个箱子就喊车床上的技工来运到车间，再从车间运到小仓库 DMA 方式：车床技工停下来告诉搬运工说，一次要 8000 个零件放到小仓库固定 的地方，然后回到车床工作；搬运工开始分两组工作，一组从大仓库搬货到箱子 中，另一组将箱子直接运到小仓库指定地方，搬完 8000 个后， 搬运工告知技工已 完成任务，技工进行相应处理。 上述两种方式中，哪种方式的生产效率更高呢？

9 例：中断、 DMA 方式下 CPU 的开销 ° 中断传送： 硬盘每次中断，可以以 16 字节为单位进行传送，为保证没有任何数据被 错过，应达到每秒 4MB /16B=250k 次中断的速度； 每秒钟用于中断的时钟周期数为 250kx500=125x10 6 ； 在一次数据传输中，处理器花费在 I/O 上的时间的百分比为： 125x10 6 /(500x10 6 )=25% ； 假定硬盘仅用其中 5% 的时间来传送数据，则处理器花费在 I/O 方面的百 分比为 25%x5%=1.25% 。 °DMA 传送： 每次 DMA 传送将花费 8000B/(4MB/Sec)≈2x10 -3 秒； 一秒钟内有 1/(2x10 -3 )=500 次 DMA 传送； 如果硬盘一直在传送数据的话，处理器必须每秒钟花 (1000+500)x500=750x10 3 个时钟周期来为硬盘 I/O 操作服务； 在硬盘 I/O 操作上处理器花费的时间占： 750x10 3 /(500x10 6 )=1.5x10 -3 =0.15% 。 一旦磁盘被启动传送，就以 4MB/s 的速度进行，主机要保证没有数据丢失！

10 I/O 操作的实现 ° 分以下三个部分介绍 第一讲：用户空间 I/O 软件 -I/O 子系统概述 - 文件的基本概念 - 用户空间的 I/O 函数 第二讲： I/O 硬件和软件的接口 -I/O 设备和设备控制器 -I/O 端口及其编址方式 -I/O 控制方式 第三讲：内核空间 I/O 软件 - 与设备无关的 I/O 软件 - 设备驱动程序 - 中断服务程序

11 内核空间 I/O 软件 ° 所有用户程序提出的 I/O 请求，最终都通过系统调用实现 ° 通过系统调用封装函数中的陷阱指令转入内核 I/O 软件执行 ° 内核空间 I/O 软件实现相应系统调用的服务功能 ° 内核空间的 I/O 软件分三个层次 设备无关软件层 设备驱动程序层 中断服务程序层 ° 设备驱动程序层、中断服务程序层与 I/O 硬件密切相关 系统调用服务例程，被陷阱指令调出执 行，一旦发送 “ 启动 ” 命令，则所代表的 进程被送等待队列（即被阻塞） 外设 CPU 启动启动 完成完成 启动启动 完成完成 工作 请求请求 响应响应 启动启动 请求请求 响应响应 返回返回 P 被阻塞 Q Q Q P

12 在 Linux 内核中单 向调用 20 次以上 read sys_read Int 0x80 触发系统调用 与设备无关层与设备无关层 设备驱动层 文件 系统 层 通用块设备层 I/O 调度层

13 设备无关 I/O 软件层 ° 设备驱动程序统一接口 操作系统为所有外设的设备驱动程序规定一个统一接口，这样，新设备的 驱动程序只要按统一接口规范来编制，就可在不修改操作系统的情况下， 添加新设备驱动程序并使用新的外设进行 I/O 。 所有设备都抽象成文件，设备名和文件名在形式上没有差别，设备和文件 具有统一的接口，不同设备名和文件名被映射到对应设备驱动程序。 ° 缓冲处理 每个设备的 I/O 都需使用内核缓冲区，因而缓冲区的申请和管理等处理是所 有设备公共的，可包含在与设备无关的 I/O 软件部分 ° 错误报告 I/O 操作在内核态执行时所发生的错误信息，都通过与设备无关的 I/O 软件返 回给用户进程，也即：错误处理框架与设备无关。 直接返回编程等错误，无需设备驱动程序处理，如，请求了不可能的 I/O 操 作；写信息到一个输入设备或从一个输出设备读信息；指定了一个无效缓 冲区地址或者参数；指定了不存在的设备等。 有些错误由设备驱动程序检测出来并处理，若驱动程序无法处理，则将错 误信息返回给设备无关 I/O 软件，再由设备无关 I/O 软件返回给用户进程，如 写一个已被破坏的磁盘扇区；打印机缺纸；读一个已关闭的设备等。

14 设备无关 I/O 软件层 ° 打开与关闭文件 对设备或文件进行打开或关闭等 I/O 函数所对应的系统调用，并不涉 及具体的 I/O 操作，只要直接对主存中的一些数据结构进行修改即可 ，这部分工作也由设备无关软件来处理。 ° 逻辑块大小处理 为了为所有的块设备和所有的字符设备分别提供一个统一的抽象视 图，以隐藏不同块设备或不同字符设备之间的差异，与设备无关的 I/O 软件为所有块设备或所有字符设备设置统一的逻辑块大小。 对于块设备，不管磁盘扇区和光盘扇区有多大，所有逻辑数据块的 大小相同，这样，高层 I/O 软件就只需处理简化的抽象设备，从而在 高层软件中简化了数据定位等处理

15 设备驱动程序 ° 每个外设具体的 I/O 操作需通过执行设备驱动程序来完成 ° 外设种类繁多、其控制接口不一，导致不同外设的设备驱动程序千差万别， 因而设备驱动程序与设备相关 ° 每个外设或每类外设都有一个设备控制器，其中包含各种 I/O 端口。 CPU 通 过执行设备驱动程序中的 I/O 指令访问个各种 I/O 端口 ° 设备所采用的 I/O 控制方式不同，驱动程序的实现方式也不同 程序直接控制：驱动程序完成用户程序的 I/O 请求后才结束。这种情况下， 用户进程在 I/O 过程中不会被阻塞，内核空间的 I/O 软件一直代表用户进程在 内核态进行 I/O 处理 。 中断控制：驱动程序启动第一次 I/O 操作后，将调出其他进程执行，而当前 用户进程被阻塞。在 CPU 执行其他进程的同时，外设进行 I/O 操作，此时， CPU 和外设并行工作。外设完成 I/O 时，向 CPU 发中断请求，然后 CPU 调出 相应中断服务程序执行。在中断服务程序中再次启动 I/O 操作。 DMA 控制：驱动程序对 DMA 控制器初始化后，便发送 “ 启动 DMA 传送 ” 命令 ，外设开始进行 I/O 操作并在外设和主存间传送数据。同时 CPU 执行处理器 调度程序，转其他进程执行，当前用户进程被阻塞。 DMA 控制器完成所有 I/O 任务后，向 CPU 发送一个 “DMA 完成 ” 中断请求信号。

16 中断服务程序 ° 中断控制和 DMA 控制两 种方式下都需进行中断 处理 ° 中断控制方式：中断服 务程序主要进行从数缓 器取数或写数据到数缓 器，然后启动外设工作 °DMA 控制方式：中断服 务程序进行数据校验等 后处理工作 在内核 I/O 软件中用到的 I/O 指 令、 “ 开中断 ” 和 “ 关中断 ” 等指令 都是特权指令，只能在操作系 统内核程序中使用

17 本章小结 ° 用户程序通常通过调用编程语言提供的库函数或操作系统提供的 API 函数来实现 I/O 操作 °I/O 库函数最终都会调用系统调用的封装函数，通过封装函数中 的陷阱指令使用户进程从用户态转到内核态执行 ° 在内核态中执行的内核空间 I/O 软件主要包含三个层次： 与设备无关的操作系统软件 设备驱动程序 中断服务程序 ° 具体 I/O 操作通过设备驱动程序和中断服务程序控制 I/O 硬件来实 现 ° 设备驱动程序的实现主要取决于具体的 I/O 控制方式： 程序查询方式、中断方式、 DMA 方式

18 本章作业 °3、4、5、6、8°3、4、5、6、8