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　　6.1 I/O系统的功能、模型和接口
　　I/O系统管理的主要对象是I/O设备和相应的设备控制器。其最主要的任务是，完成用户提出的
I/O请求，提高I/O速率，以及提高设备的利用率，并能为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段。
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6.1.1 I/O系统的基本功能
　　1. 隐藏物理设备的细节
　　I/O设备的类型非常多，且彼此间在多方面都有差异，诸如它们接收和产生数据的速度，传输方
向、粒度、数据的表示形式及可靠性等方面。
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　　2. 与设备的无关性
　　隐藏物理设备的细节，在早期的OS中就已实现，它可方便用户对设备的使用。与设备的无关性
是在较晚时才实现的，这是在隐藏物理设备细节的基础上实现的。
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　　3. 提高处理机和I/O设备的利用率
　　在一般的系统中，许多I/O设备间是相互独立的，能够并行操作，在处理机与设备之间也能并行
操作。因此，I/O系统的第三个功能是要尽可能地让处理机和I/O设备并行操作，以提高它们的利用率。
为此，一方面要求处理机能快速响应用户的I/O请求，使I/O设备尽快地运行起来；另一方面也应尽量
减少在每个I/O设备运行时处理机的干预时间。
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　　4. 对I/O设备进行控制
　　对I/O设备进行控制是驱动程序的功能。目前对I/O设备有四种控制方式：① 采用轮询的可编程
I/O方式；② 采用中断的可编程I/O方式；③ 直接存储器访问方式；④ I/O通道方式。
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　　5. 确保对设备的正确共享
　　从设备的共享属性上，可将系统中的设备分为如下两类：
　　(1) 独占设备，进程应互斥地访问这类设备，即系统一旦把这类设备分配给了某进程后，便由该
进程独占，直至用完释放。典型的独占设备有打印机、磁带机等。系统在对独占设备进行分配时，
还应考虑到分配的安全性。
　　(2) 共享设备，是指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。典型的共享设备是磁盘，当有
多个进程需对磁盘执行读、写操作时，可以交叉进行，不会影响到读、写的正确性。
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　　6. 错误处理
　　大多数的设备都包括了较多的机械和电气部分，运行时容易出现错误和故障。从处理的角度，
可将错误分为临时性错误和持久性错误。对于临时性错误，可通过重试操作来纠正，只有在发生了
持久性错误时，才需要向上层报告。
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6.1.2 I/O系统的层次结构和模型
　　1. I/O软件的层次结构
　　通常把I/O 软件组织成四个层次，如图6-1所示。
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图6-1 I/O系统的层次结构
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　　2. I/O系统中各种模块之间的层次视图
　　为了能更清晰地描述I/O系统中主要模块之间的关系，我们进一步介绍I/O系统中各种I/O模块之
间的层次视图。见图6-2所示。
　　1) I/O系统的上、下接口
　　(1) I/O系统接口。
　　(2) 软件/硬件(RW/HW)接口。
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图6-2 I/O系统中各种模块之间的层次视图
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　　　6.2 I/O设备和设备控制器
　　I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件组成。通常将这两部分分开，
执行I/O操作的机械部分就是一般的I/O设备，而执行控制I/O的电子部件则称为设备控制器或适配器
(adapter)。在微型机和小型机中的控制器常做成印刷电路卡形式，因而也常称为控制卡、接口卡或
网卡，可将它插入计算机的扩展槽中。在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。
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6.2.1 I/O设备
　　1. I/O设备的类型
　　1) 按使用特性分类
　　2) 按传输速率分类
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　　2. 设备与控制器之间的接口
　　通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，因此，在I/O设备中应含有与
设备控制器间的接口，在该接口中有三种类型的信号(见图6-3所示)，各对应一条信号线。
　　(1) 数据信号线。
　　(2) 控制信号线。
　　(3) 状态信号线。
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图6-3　设备与控制器间的接口
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6.2.2 设备控制器
　　1. 设备控制器的基本功能
　　(1) 接收和识别命令。
　　(2) 数据交换。
　　(3) 标识和报告设备的状态。
　　(4) 地址识别。
　　(5) 数据缓冲区。
　　(6) 差错控制。
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　　2. 设备控制器的组成
　　由于设备控制器位于CPU与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还应具有按照
CPU所发来的命令去控制设备工作的功能，因此，现有的大多数控制器都是由以下三部分组成：
　　(1) 设备控制器与处理机的接口。
　　(2) 设备控制器与设备的接口。
　　(3) I/O逻辑。
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图6-4 设备控制器的组成
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6.2.3 内存映像I/O
　　1. 利用特定的I/O指令
　　在早期的计算机中，包括大型计算机，为实现CPU和设备控制器之间的通信，为每个控制寄存
器分配一个I/O端口，这是一个8位或16位的整数，如图6-5(a)所示。另外还设置了一些特定的I/O指
令。
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　　2. 内存映像I/O
　　在这种方式中，在编址上不再区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都采用k。当k
值处于0～n-1范围时，被认为是内存地址，若k大于等于n时，被认为是某个控制器的寄存器地址。
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6.2.4　I/O通道
　　1. I/O通道设备的引入
　　虽然在CPU与I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机所
配置的外设很多时，CPU的负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了I/O通道(I/O
Channel)。
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　　2. 通道类型
　　1) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)
　　这是一种按字节交叉方式工作的通道。它通常都含有许多非分配型子通道，其数量可从几十到
数百个，每一个子通道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通道按时间片轮转方式共
享主通道。
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　　2) 数组选择通道(Block Selector Channel)
　　字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。
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　　3) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel)
　　数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将
数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优点相结合而形成的一
种新通道。
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　　　6.3　中断机构和中断处理程序
　　对于操作系统中的I/O系统，本章采取从低层向高层的介绍方法，从本节开始首先介绍中断处理
程序。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。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
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6.3.1 中断简介
　　1. 中断和陷入
　　1) 中断
　　2) 陷入
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　　2. 中断向量表和中断优先级
　　1) 中断向量表
　　2) 中断优先级
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　　3. 对多中断源的处理方式
　　1) 屏蔽(禁止)中断
　　2) 嵌套中断
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图6-9 对多中断的处理方式
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6.3.2 中断处理程序
　　当一个进程请求I/O 操作时，该进程将被挂起，直到I/O设备完成I/O操作后，设备控制器便向
CPU发送一个中断请求，CPU响应后便转向中断处理程序，中断处理程序执行相应的处理，处理完
后解除相应进程的阻塞状态。
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　图6-10 中断现场保护示意图
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