操作系统-I/O（5）I/O软件的层次结构

IO软件的设计目标：

（1）高效率：改善设备效率，尤其是磁盘I/O操作的效率

（2）通用性：用统一的标准来管理所有设备

IO软件的设计思路： 把软件组织成层次结构，低层软件用来屏蔽硬件细节，高层软件向用户提供简洁、友善的界面

IO软件设计中主要考虑的问题：

（1）设备无关性：编写访问文件的程序与具体设备无关

（2）出错处理：低层软件能处理的错误不让高层软件感知

（3）同步/异步传输：支持阻塞和中断驱动两种工作方式

（4）缓冲技术：建立数据缓冲区，提高吞吐率

I/O软件的层次结构：

• I/O中断处理程序

位于操作系统底层，与硬件设备密切相关，与系统其余部分尽可能少地发生联系

进程请求I/O操作时，通常被挂起，直到数据传输结束后并产生I/O中断时，操作系统接管CPU后转向中断处理程序

当设备向CPU提出中断请求时，CPU响应请求并转入中断处理程序

功能：检查设备状态寄存器内容，判断产生中断的原因，根据I/O操作的完成情况进行相应的处理

1. 如果数据传输有错，向上层软件报告设备的出错信息，实施重新执行
2. 如果正常结束，唤醒等待传输的进程，使其转换为就绪态
3. 如果有等待传输的I/O命令，通知相关软件启动下一个I/O请求

• 设备驱动程序

包括与设备密切相关的所有代码，从独立于设备的软件中接收并执行I/O请求

把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行；监督设备是否正确执行，管理数据缓冲区，进行必要的纠错处理

功能：

1. 设备初始化：在系统初次启动或设备传输数据时，预置设备和控制器以及通道状态
2. 执行设备驱动例程：负责启动设备，进行数据传输；对于具有通道方式，还负责生成通道指令和通道程序，启动通道工作
3. 调用和执行中断处理程序：负责处理设备和控制器及通道所发出的各种中断

设备驱动程序分为：

（1）整体驱动程序直接向操作系统提供接口和控制硬件。适用于功能简单的驱动程序，效率较高，但较难迁移

（2）分层驱动程序将驱动程序分成多层，放在栈中，系统接到I/O请求时先调用栈顶的驱动程序，栈顶的驱动程序可以直接处理请求或向下调用更低层的驱动程序，直至请求被处理，适用于功能复杂、重用性要求较高的驱动程序，结构清晰且便于移植，但会增加一部分系统开销。

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设备驱动程序只处理一种设备，或者一类紧密相关的设备。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：

1. 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 。
2. 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。
3. 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。

• 独立于设备的I/O软件

执行适用于所有设备的常用I/O功能，功能包括：

（1）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。

（2）设备命名：通过路径名寻址设备

（3）设备保护：检查用户是否有权访问所申请设备

（4）提供与设备无关的数据单位：字符数量，块尺寸

例如，为了为所有的块设备、字符设备提供一个统一的抽象视图，以隐藏不同块设备、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、字符设备设置统一的逻辑块大小。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 。

（5）缓冲技术：传输速率、时间约束，不能直接送达目的地。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

（6）设备分配和状态跟踪：分配不同类型的设备

（7）错误处理和报告：

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。

（8）打开和关闭文件：

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。

• 用户空间的I/O软件

库函数：一小部分I/O软件不在操作系统中，是与应用程序链接在一起的库函数，甚至完全由运行于用户态的程序组成。系统调用通常由库函数封装后供用户使用，封装函数只是将系统调用所用的参数放在合适位置，然后执行访管指令来陷入内核，再由内核函数实现真正的I/O操作。

SPOOLing软件：在内核外运行的系统I/O软件，采用预输入、缓输出和井管理技术，通过创建守护进程和特殊目录解决独占型设备的空占问题