3. 解决瓶颈问题
通道往往成为I/O的瓶颈如图:
改单通路为多通路解决瓶颈问题
6.3 中断机构和中断处理程序
6.3.1 中断简介
中断在操作系统中有着特殊重要的地位，它是多道程序得以实现的基础，没有中断，就不可能实现多道程序，因为进程之间的切换是通过中断来完成的。另一方面，中断也是设备管理的基础，为了提高处理机的利用率和实现CPU与I/O设备并行执行，也必需有中断的支持。
1. 中断和陷入
1）中断，是指CPU对I/O设备发来的中断信号的响应。由外部设备引起，故又称为外中断。
2）陷入，是由CPU内部事件引起的中断，如程序出错等等，故又称为内中断。
中断和陷入的主要区别是信号的来源，即是来自 CPU 外部，还是 CPU 内部。
2. 中断向量表和中断优先级
1）中断向量表。
通常是为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址放在中断向量表中的一个表项，并为每一个设备的中断请求规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项。当 I/O 设备发来中断请求信号时，由中断控制器确定该请求的中断号，并去查找中断向量表取得设备中断处理程序的入口地址，这样便可转入中断处理程序执行。
2）中断优先级。多个中断信号同时到达时，根据优先级分别先后处理。
3. 对多中断源的处理方式
1）屏蔽(禁止)中断。
类似于关中断，当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有的中断，让它们等待。直到处理机处理完本次中断后，再去检查是否有中断发生。
2）嵌套中断。
CPU 优先响应最高优先级的中断请求。高优先级的中断请求可以抢占正在运行的低优先级中断的处理机。
6.3.2 中断处理程序
中断处理程序是I/O系统中最低的一层，它是整个I/O系统的基础。中断机构的处理过程：
（1）CPU测定是否有未响应的中断信号。程序每当执行完当前指令后，处理机都要测试是否有未响应的中断信号。
（2）保护被中断进程的CPU环境。
（3）转入相应的设备处理程序。由处理机对各个中断源进行测试，以确定引起本次中断的 I/O 设备，并向提供中断信号的设备发送确认信号。在该设备收到确认信号后，就立即取消它所发出的中断请求信号。然后，将相应的设备中断处理程序的入口地址装入到程序计数器中。这样，当处理机运行时，便可自动地转向中断处理机程序。
（4）中断处理。
（5）恢复CPU现场并退出中断。
6.4 设备驱动程序
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务是接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read或write命令，再把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。由于驱动程序与硬件密切相关，故通常应为每一类设备配置一种驱动程序。
6.4.1 设备驱动程序概述
1. 设备驱动程序的功能
(1) 将接受到的抽象(逻辑)要求转化为具体(物理)要求。
(2) 检查用户I/O请求的合法性, 设置设备的工作方式。
(3) 发出I/O命令
(4) 及时响应由控制器或通道发来的中断请求
(5) 对有通道系统, 能根据I/O请求, 自动地构造通道程序
2.设备驱动程序的特点
3. 设备处理方式
6.4.2 设备驱动程序的处理过程
在多道程序系统中，驱动程序一旦发出 I/O 命令，启动了一个 I/O 操作后，驱动程序便把控制返回给 I/O 系统，把自己阻塞起来，直到中断到来时再被唤醒。具体的 I/O 操作是在设备控制器的控制下进行的，因此，在设备忙于传送数据时，处理机又可以去干其它的事情，实现了处理机与 I/O 设备的并行操作。
(1) 将抽象的要求转化为具体的要求
(2) 检查I/O请求的合法性、 读出并检查设备的状态
(3) 传送必要的参数、设置工作方式
(4) 向控制器发送控制命令启动I/O设备, 将自己阻塞
(5) 完成I/O后, CPU响应中断唤醒相应的设备驱动进程
16. 磁盘存取时间
6.4.3 对I/O设备的控制方式
1. 使用轮询的可编程I/O方式
处理机对 I/O 设备的控制采取轮询的可编程I/O方式，即在处理机向控制器发出一条 I/O 指令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志 busy 置为 1，然后便不断地循环测试 busy。当 busy=1 时，表示输入机尚未输完一个字(符)，处理机应继续对该标志进行测试，直至 busy=0，表明输入机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，这样便完成了一个字(符)的 I/O。接着再去启动读下一个数据，并置 busy=1
2. 使用中断的可编程I/O方式
采用中断的可编程I/O方式，即当某进程要启动某个 I/O 设备工作时，便由 CPU 向相应的设备控制器发出一条 I/O 命令，然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定 I/O 设备。此时，CPU 与 I/O 设备并行操作。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向 CPU 发送一中断信号，由 CPU 检查输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发送取走数据的信号，然后再通过控制器及数据线将数据写入内存指定单元中。
适用于低速流设备，如键盘，鼠标。
3. 直接存储器(DMA)访问方式
中断驱动 I/O 比程序 I/O 方式更有效，但须注意，它仍是以字(节)为单位进行 I/O 的，每当完成一个字(节)的 I/O 时，控制器便要向 CPU 请求一次中断。换言之，采用中断驱动 I/O 方式时的 CPU 是以字(节)为单位进行干预的。
从而引入直接存储器访问方式，其特点如下：
1）数据传输的基本单位是数据块，即在 CPU 与 I/O 设备之间，每次传送至少一个数据块；
2）所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；
3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需 CPU 干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。
4. I/O通道控制方式
I/O 通道方式是 DMA 方式的发展，它可进一步减少 CPU 的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。同时，又可实现 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作。而通道能与 I/O 设备并行是因为 I/O 通道实际上是一种特殊的处理机，它具有执行 I/O 指令的能力，并通过执行通道 I/O 程序来控制 I/O 操作。增设 I/O 通道的主要目的是为了建立独立的 I/O 操作，或者说是使一些原来由 CPU 处理的 I/O 任务转由通道来承担。
6.5 与设备无关的I/O软件
为了方便用户和提高OS的可适应性与可扩展性，在现代OS的I/O系统中，都无一例外地增加了与设备无关的I/O软件，以实现设备独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。这是在设备驱动程序之上设置的一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
6.5.1 与设备无关(Device Independence)软件的基本概念
1. 以物理设备名使用设备
2. 引入了逻辑设备名
3. 逻辑设备名到物理设备名的转换
6.5.2 与设备无关的软件
1. 设备驱动程序的统一接口
2. 缓冲管理
3. 差错控制
4. 对独立设备的分配与回收
5. 独立于设备的逻辑数据块
6.5.3 设备分配
1. 设备分配中的数据结构
通过在系统配置：①设备控制表 DCT；②控制器控制表 COCT；③通道控制表 CHCT；④系统设备表 SDT；实现都独占设备的分配。
同时，在系统中需要配置一张逻辑设备表 LUT，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。
2. 设备分配时应考虑的因素
3. 独占设备的分配程序
6.5.4 逻辑设备名到物理设备名映射的实现
1. 逻辑设备表 LUT(Logicla Unit Table)
(1) 逻辑设备表(LUT)
逻辑设备名 物理设备名 驱动程序入口地址
/dev/tty 3 1024
/dev/print 5 2048
(2) 逻辑设备表的设置
整个系统只设一张LUT不允许有相同的逻辑设备名, 用在单用户系统中。
每个用户设一张LUT, 用户登录建立进程时,建立一张LUT并将该表放入该进程的PCB中,用在多用户系统中。
2.逻辑设备表的设备问题
6.6 用户层的I/O软件
一般而言，大部分的 I/O 软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括系统调用、与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的假脱机系统等。
6.6.1 系统调用和库函数
1. 系统调用
2. 库函数
6.6.2 假脱机(Spooling)系统
如果说可以通过多道程序技术将一台物理CPU 虚拟为多台逻辑 CPU，从而允许多个用户共享一台主机，那么，通过 SPOOLing 技术便可将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备，同样允许多个用户共享一台物理 I/O设备。
1. 假脱机技术
脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门的外围控制机，先将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上，或者相反。
事实上，当系统中引入了多道程序技术后，完全可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。此时的外围操作与 CPU 对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为 SPOOLing，或称为假脱机操作。
2. SPOOLing 系统的组成
1）输入井和输出井。这是在磁盘上开辟的两个存储空间。输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备；输出井是模拟脱机输出时的磁盘。
2）输入缓冲区和输出缓冲区。为了缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，在内存中要开辟两个缓冲区：输入缓冲区和输出缓冲区。输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备。
3）输入进程和输出进程。输入进程也称为预输入进程，用于模拟脱机输入时的外围控制机。输出进程也称为预输出进程，用于模拟脱机输出时的外围控制机。
4）井管理程序。用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向某台设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。
3. SPOOLing系统的特点
1）提高了I/O的速度。
2）将独占设备改造为共享设备。
3）实现了虚拟设备功能。
4. 假脱机打印机系统
打印机是经常要用到的输出设备，属于独占设备。利用 SPOOLing 技术，可将之改造为一台可供多个用户共享的设备，从而提高设备的利用率。主要有以下三部分：
1）磁盘缓冲区。用于暂存用户程序的输出数据。
2）打印缓冲区。缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾，设置在内存中，暂存从磁盘缓冲区送来的数据。
3）假脱机管理进程和假脱机打印进程。由假脱机管理进程为每个要求打印的用户数据建立一个假脱机文件，并把它放入假脱机文件队列中，由假脱机打印进程依次对队列中的文件进行打印。
每当用户进程发出打印输出请求时，由假脱机管理进程完成两项工作：①在磁盘缓冲区中为之申请一个空闲盘块，并将要打印的数据送入其中暂存；②为用户进程申请一张空闲的用户请求打印表，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到假脱机文件队列上。
真正的打印输出是假脱机打印进程负责的，当打印机空闲时，该进程首先从假脱机文件队列的队首摘取一张请求打印表，然后根据表中的要求将要打印的数据由输出井传送到内存缓冲区，再交付打印机进行打印。
5. 守护进程
除了假脱机打印机系统可以实现打印机共享，也可以为打印机建立一个守护进程。由守护进程执行一部分原来假脱机管理进程实现的功能。另一部分由请求进程自己完成，每个要求打印的进程先生成一份要求打印的文件，然后放入假脱机文件队列中。守护进程是按照目录中的文件依次来完成诸进程对该设备的请求的。
6.7 缓冲区管理
在现代操作系统中，几乎所有的I/O设备在与处理机交换数据时都用了缓冲区。
单缓冲区、双缓冲区、环形缓冲区、缓冲池。
6.7.1 缓冲的引入
6.7.2 单缓冲区和双缓冲区
1. 单缓冲区
块设备输入时, 输入到缓冲区的时间为T, OS将数据从缓冲区传到用户区的时间为M, CPU处理这块数据的时间为C; 显然T和C是可以并行的。
2. 双缓冲区
为了加快I/O速度提高设备利用率,又引入了双缓冲机制(缓冲对换 Buffer Swapping); 如果C<T, 块设备可连续输入。
6.7.3 环形缓冲区
1. 环形缓冲区的组成
I/O进程和计算进程对缓冲区的使用相当于生产者消费者问题, 当两者之间速度基本相匹配时,双缓冲能获得较好的效果, 但两者之间速度变化很大相差很远时效果不理想; 可将多个缓冲组成循环形式。以输入为例, 空缓冲区为R, 已装满数据的缓冲区为G, 正在使用的工作缓冲区为C, 使用时要考虑进程的同步:
2. 环形缓冲区的使用
3. 进程之间的同步问题
当计算进程要用缓冲区的数据时调用Getbuf(Nextg)过程, 将Nextg指示的缓冲区提供给计算进程使用, 并令Current 指针指向它的第一单元, Nextg 移向下一个G。
当输入进程要空缓冲区输入数据时调Getbuf(Nexti)过程,将Nexti指示的缓冲区供给输入进程, Nexti下移。
