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輸入輸出系統(tǒng)
　　6.1 I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口
　　I/O系統(tǒng)管理的主要對象是I/O設(shè)備和相應(yīng)的設(shè)備控制器。其最主要的任務(wù)是，完成用戶提出的
I/O請求，提高I/O速率，以及提高設(shè)備的利用率，并能為更高層的進程方便地使用這些設(shè)備提供手段。
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6.1.1 I/O系統(tǒng)的基本功能
　　1. 隱藏物理設(shè)備的細節(jié)
　　I/O設(shè)備的類型非常多，且彼此間在多方面都有差異，諸如它們接收和產(chǎn)生數(shù)據(jù)的速度，傳輸方
向、粒度、數(shù)據(jù)的表示形式及可靠性等方面。
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　　2. 與設(shè)備的無關(guān)性
　　隱藏物理設(shè)備的細節(jié)，在早期的OS中就已實現(xiàn)，它可方便用戶對設(shè)備的使用。與設(shè)備的無關(guān)性
是在較晚時才實現(xiàn)的，這是在隱藏物理設(shè)備細節(jié)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。
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　　3. 提高處理機和I/O設(shè)備的利用率
　　在一般的系統(tǒng)中，許多I/O設(shè)備間是相互獨立的，能夠并行操作，在處理機與設(shè)備之間也能并行
操作。因此，I/O系統(tǒng)的第三個功能是要盡可能地讓處理機和I/O設(shè)備并行操作，以提高它們的利用率。
為此，一方面要求處理機能快速響應(yīng)用戶的I/O請求，使I/O設(shè)備盡快地運行起來；另一方面也應(yīng)盡量
減少在每個I/O設(shè)備運行時處理機的干預(yù)時間。
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　　4. 對I/O設(shè)備進行控制
　　對I/O設(shè)備進行控制是驅(qū)動程序的功能。目前對I/O設(shè)備有四種控制方式：① 采用輪詢的可編程
I/O方式；② 采用中斷的可編程I/O方式；③ 直接存儲器訪問方式；④ I/O通道方式。
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　　5. 確保對設(shè)備的正確共享
　　從設(shè)備的共享屬性上，可將系統(tǒng)中的設(shè)備分為如下兩類：
　　(1) 獨占設(shè)備，進程應(yīng)互斥地訪問這類設(shè)備，即系統(tǒng)一旦把這類設(shè)備分配給了某進程后，便由該
進程獨占，直至用完釋放。典型的獨占設(shè)備有打印機、磁帶機等。系統(tǒng)在對獨占設(shè)備進行分配時，
還應(yīng)考慮到分配的安全性。
　　(2) 共享設(shè)備，是指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)備。典型的共享設(shè)備是磁盤，當(dāng)有
多個進程需對磁盤執(zhí)行讀、寫操作時，可以交叉進行，不會影響到讀、寫的正確性。
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　　6. 錯誤處理
　　大多數(shù)的設(shè)備都包括了較多的機械和電氣部分，運行時容易出現(xiàn)錯誤和故障。從處理的角度，
可將錯誤分為臨時性錯誤和持久性錯誤。對于臨時性錯誤，可通過重試操作來糾正，只有在發(fā)生了
持久性錯誤時，才需要向上層報告。
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6.1.2 I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)和模型
　　1. I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)
　　通常把I/O 軟件組織成四個層次，如圖6-1所示。
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圖6-1 I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)
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　　2. I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的層次視圖
　　為了能更清晰地描述I/O系統(tǒng)中主要模塊之間的關(guān)系，我們進一步介紹I/O系統(tǒng)中各種I/O模塊之
間的層次視圖。見圖6-2所示。
　　1) I/O系統(tǒng)的上、下接口
　　(1) I/O系統(tǒng)接口。
　　(2) 軟件/硬件(RW/HW)接口。
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圖6-2 I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的層次視圖
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　　　6.2 I/O設(shè)備和設(shè)備控制器
　　I/O設(shè)備一般是由執(zhí)行I/O操作的機械部分和執(zhí)行控制I/O的電子部件組成。通常將這兩部分分開，
執(zhí)行I/O操作的機械部分就是一般的I/O設(shè)備，而執(zhí)行控制I/O的電子部件則稱為設(shè)備控制器或適配器
(adapter)。在微型機和小型機中的控制器常做成印刷電路卡形式，因而也常稱為控制卡、接口卡或
網(wǎng)卡，可將它插入計算機的擴展槽中。在有的大、中型計算機系統(tǒng)中，還配置了I/O通道或I/O處理機。
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6.2.1 I/O設(shè)備
　　1. I/O設(shè)備的類型
　　1) 按使用特性分類
　　2) 按傳輸速率分類
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　　2. 設(shè)備與控制器之間的接口
　　通常，設(shè)備并不是直接與CPU進行通信，而是與設(shè)備控制器通信，因此，在I/O設(shè)備中應(yīng)含有與
設(shè)備控制器間的接口，在該接口中有三種類型的信號(見圖6-3所示)，各對應(yīng)一條信號線。
　　(1) 數(shù)據(jù)信號線。
　　(2) 控制信號線。
　　(3) 狀態(tài)信號線。
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圖6-3　設(shè)備與控制器間的接口
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6.2.2 設(shè)備控制器
　　1. 設(shè)備控制器的基本功能
　　(1) 接收和識別命令。
　　(2) 數(shù)據(jù)交換。
　　(3) 標識和報告設(shè)備的狀態(tài)。
　　(4) 地址識別。
　　(5) 數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
　　(6) 差錯控制。
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　　2. 設(shè)備控制器的組成
　　由于設(shè)備控制器位于CPU與設(shè)備之間，它既要與CPU通信，又要與設(shè)備通信，還應(yīng)具有按照
CPU所發(fā)來的命令去控制設(shè)備工作的功能，因此，現(xiàn)有的大多數(shù)控制器都是由以下三部分組成：
　　(1) 設(shè)備控制器與處理機的接口。
　　(2) 設(shè)備控制器與設(shè)備的接口。
　　(3) I/O邏輯。
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圖6-4 設(shè)備控制器的組成
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6.2.3 內(nèi)存映像I/O
　　1. 利用特定的I/O指令
　　在早期的計算機中，包括大型計算機，為實現(xiàn)CPU和設(shè)備控制器之間的通信，為每個控制寄存
器分配一個I/O端口，這是一個8位或16位的整數(shù)，如圖6-5(a)所示。另外還設(shè)置了一些特定的I/O指
令。
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　　2. 內(nèi)存映像I/O
　　在這種方式中，在編址上不再區(qū)分內(nèi)存單元地址和設(shè)備控制器中的寄存器地址，都采用k。當(dāng)k
值處于0～n-1范圍時，被認為是內(nèi)存地址，若k大于等于n時，被認為是某個控制器的寄存器地址。
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6.2.4　I/O通道
　　1. I/O通道設(shè)備的引入
　　雖然在CPU與I/O設(shè)備之間增加了設(shè)備控制器后，已能大大減少CPU對I/O的干預(yù)，但當(dāng)主機所
配置的外設(shè)很多時，CPU的負擔(dān)仍然很重。為此，在CPU和設(shè)備控制器之間又增設(shè)了I/O通道(I/O
Channel)。
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　　2. 通道類型
　　1) 字節(jié)多路通道(Byte Multiplexor Channel)
　　這是一種按字節(jié)交叉方式工作的通道。它通常都含有許多非分配型子通道，其數(shù)量可從幾十到
數(shù)百個，每一個子通道連接一臺I/O設(shè)備，并控制該設(shè)備的I/O操作。這些子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共
享主通道。
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　　2) 數(shù)組選擇通道(Block Selector Channel)
　　字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，這推動了按數(shù)組方式進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。
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　　3) 數(shù)組多路通道(Block Multiplexor Channel)
　　數(shù)組選擇通道雖有很高的傳輸速率，但它卻每次只允許一個設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將
數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道(設(shè)備)分時并行操作的優(yōu)點相結(jié)合而形成的一
種新通道。
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　　　6.3　中斷機構(gòu)和中斷處理程序
　　對于操作系統(tǒng)中的I/O系統(tǒng)，本章采取從低層向高層的介紹方法，從本節(jié)開始首先介紹中斷處理
程序。中斷在操作系統(tǒng)中有著特殊重要的地位，它是多道程序得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)，沒有中斷，就不可
能實現(xiàn)多道程序，因為進程之間的切換是通過中斷來完成的。另一方面，中斷也是設(shè)備管理的基礎(chǔ)，
為了提高處理機的利用率和實現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備并行執(zhí)行，也必需有中斷的支持。中斷處理程序是
I/O系統(tǒng)中最低的一層，它是整個I/O系統(tǒng)的基礎(chǔ)
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6.3.1 中斷簡介
　　1. 中斷和陷入
　　1) 中斷
　　2) 陷入
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　　2. 中斷向量表和中斷優(yōu)先級
　　1) 中斷向量表
　　2) 中斷優(yōu)先級
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　　3. 對多中斷源的處理方式
　　1) 屏蔽(禁止)中斷
　　2) 嵌套中斷
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圖6-9 對多中斷的處理方式
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6.3.2 中斷處理程序
　　當(dāng)一個進程請求I/O 操作時，該進程將被掛起，直到I/O設(shè)備完成I/O操作后，設(shè)備控制器便向
CPU發(fā)送一個中斷請求，CPU響應(yīng)后便轉(zhuǎn)向中斷處理程序，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的處理，處理完
后解除相應(yīng)進程的阻塞狀態(tài)。
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　圖6-10 中斷現(xiàn)場保護示意圖
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