IO介绍-上

IO

IO系统管理的主要对象是IO设备和相应的设备控制器。其主要任务是，完成用户提出的IO请求，提高IO效率，以及提高设备的利用率。并能为更高层的进程方比那使用这些设备提供手段。

IO系统的基本功能

• 隐藏物理设备的细节

  设备类型很多，他们之间的很多方面都有差异。像他们产生和接受数据的速度，传输方向、粒度、数据的表示形式及可靠性等方面。为了对这些设备进行控制，通常都为他们配置相应的设别控制器。这是一种硬件设备，其中包含有若干个用于存放控制命令的寄存器和存放参数的寄存器。用户通过这些命令和参数，可以控制外部设备执行所需要的操作。

  因为对不同的设备，需要使用不同的命令和不同的参数。比如，对磁盘的操作，需要给出是读指令，还是写指令。还要给出数据位置，包括磁盘的盘面号、磁道、扇区号等。由此可见，如果要程序员自己去直接面向设备编程，是很困难的。

  因此，需要IO系统对设备加以抽象，隐藏掉设备的具体实现细节，仅向上层进程提供少量的、抽象的读写命令。

• 与设备无关

  这个是在隐藏物理设备细节的基础上，又做了一个抽象。把物理上的设备，映射成逻辑设备。比如要是打印机，对应的/dev/printer ，而不必要指明是哪一台打印机；另外，页可以有效的提高OS的可移植性，增加新的设备驱动程序，以方便新的IO设备的安装。系统可以为新IO设备自动安装和寻找驱动程序，从而做到即插即用。

• 提高处理及和IO设备的利用率

  很多设备之间是相互独立的，能够并行操作的。处理机和设备之间也可以并行操作。因此，需要尽可能的将cpu和设备并行操作，以提高利用率。

  一方面是cpu能快速响应用户的IO请求，是设备尽快的运行起来；另一方是减少每一个设备在运行期间对cpu的干预时间。

• 对设备进行控制

  对设备的控制是驱动程序的功能。目前对设备控制有以下方式：

  1. 程序轮训方式
  2. 中断的可编程方式
  3. 直接存储器访问方式
  4. 通道方式

  对于低速设备可采用中断可编程方式，例如键盘、打印机等终端低速设备。低速传输基本单位是字节。

  高速设备，可采用直接存储方式。例如 磁盘、光盘等。高速传输单位是数据块。

  IO通道可以使对IO操作的组织和数据传输，都能独立运行而无需CPU的干预。为了方便高层和用户，IO软件屏蔽了这些差异，向高层提供统一的操作接口。

• 确保对设备的正确共享

  设备的共享分为两种：

  1. 独占设备：进程互斥访问。比如打印机、磁带机等
  2. 共享设备：一段时间内可以允许多个进程同时访问设备。比如对磁盘的读

• 错误处理

  设备的错误也可以分为临时性错误和持久性错误。

  临时性错误：可以通过重试操作进行修正

  持久性错误：需要向上报告

  对错误的处理，应该尽可能的在接近硬件的层面上进行，在低层软件上能够解决的错误就不向上层报告。上层调用是无感知的。对于那些低层软件解决不了的错误才能向上 层报告，让高层处理解决。

IO系统层次结构

用户层IO软件

用户程序，用户可以直接调用该层所提供的、于IO操作有关的库函数对设备进行操作

设备独立性软件

用户实现用户程序和设备驱动器的统一的接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配和释放等

设备驱动程序

与硬件之直接相关，用于具体实现对设备发生的操作指令，驱动设备工作的驱动程序

中断处理程序

保护被中断进程的cpu现场环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完毕再恢复被中断进程的现场后，再返回到被中断的进程

IO系统中各种模块之间的层次视图

IO系统的上下接口

1. 系统接口：它是向上提供设备进行操作的抽象IO命令，方便上层使用。有的系统在用户层面提供了 IO操作有关的库函数，供用户使用。在上层系统中有文件系统、虚拟存储器系统以及用户进程等
2. 软件/硬件（RW/HW）接口：
3. IO系统的分层：

中断处理程序：它处于IO系统的底层，直接与硬件交互。

设备驱动程序：IO系统的次底层，是进程和设备控制器之间的通信程序。主要功能就是将上层发来的抽象IO请求转换成对IO设备具体的命令和参数，并把它载入设备控制器中的命令和参数寄存器中。由于设备之间的差异很大，每类设备的驱动程序也都不相同，所以设备驱动程序是由设备厂商提供。因此，系统中每增加一个新的设备时，都需要厂家提供新的驱动程序。

设备独立性软件：是在设备驱动的基础上又增加的一层抽象层，屏蔽了具体的多个设备驱动程序。实现了IO系统操作和设备无关性。提高了设备的可适应性和可扩展性。使他们能应用于许多类型的设备，而且在每次增加新设备或替换老设备时，都不需要对IO软件进行修改，这样就方便了系统了更新和扩展。设备独立性软件的内容包括设备命名、设备分配、数据缓冲、和数据高速缓冲一类软件