引子

? ? ?外部設(shè)備分為存儲性設(shè)備和I/O型設(shè)備，設(shè)備管理通常采用I/O中斷、緩沖區(qū)管理、通道、設(shè)備驅(qū)動調(diào)度等多種技術(shù)。通常有以下功能：

? ? ?設(shè)備中斷處理

? ? ?緩沖區(qū)管理

? ? ?設(shè)備分配去配

? ? ?設(shè)備驅(qū)動管理

? ? ?實現(xiàn)虛擬設(shè)備

一、I/O硬件原理

? ? 1、概念：I/O系統(tǒng) I/O操作 I/O操作特性

? ? 2、I/O控制方式：對CPU和設(shè)備的職能進行合理分工

? ? ? ? 輪詢方式：cpu指定交換字節(jié)數(shù)和起始地址，不斷測試設(shè)備直到拿到所有數(shù)據(jù)，串行工作浪費I/O cpu等待時間

? ? ? ? 中斷方式：cpu與設(shè)備間有中斷請求線，需要cpu時刻準(zhǔn)備響應(yīng)設(shè)備中斷，若同時有大量設(shè)備中斷可能丟數(shù)據(jù)

? ? ? ? DMA方式：設(shè)備通過DMA控制器直接與內(nèi)存交換數(shù)據(jù)，周期竊用總線控制權(quán)，不需要cpu干預(yù)

? ? ? ? 通道方式：I/O處理器，與cpu并行，四級鏈接，三級控制：

? ? ? ? ? ? ? ? ? CPU(I/O指令) ==> 通道(通道命令) ==> 控制器 (動作序列)==> 設(shè)備

? ? 3、設(shè)備控制器

? ? ? ? I/O設(shè)備的硬件：機械部件(設(shè)備本身)和電子部件(如：設(shè)備控制器或適配器，可插入主板擴充槽的印刷電路板)

? ? ? ? 操作系統(tǒng)實際上是與控制器通信，從磁盤中以字位串讀取頭標(biāo)(記錄扇區(qū)等信息)，4096 B扇區(qū)和糾錯碼，由控制器裝配成字節(jié)，存入控制器內(nèi)部的緩沖區(qū)形成字節(jié)快，在確認(rèn)無錯后，復(fù)制到內(nèi)存。

? ? ?主要功能：

? ? ? ? ?接收和識別CPU或通道發(fā)來的命令

? ? ? ? ?實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換

? ? ? ? ?發(fā)現(xiàn)和記錄設(shè)備及自身的狀態(tài)信息，供CPU處理使用

? ? ? ? ? 設(shè)備地址識別?

二、I/O軟件原理

? ?2.1 I/O軟件設(shè)計需要考慮的問題

? ? ? ? 1.設(shè)備無關(guān)性；程序員/用戶只需要跟設(shè)備抽象打交道

? ? ? ? 2.出錯處理；

? ? ? ? 3.同步/異步傳輸；

? ? ? ? ? ? ?異步傳輸：CPU在啟動I/O操作后，可繼續(xù)執(zhí)行其他工作

? ? ? ? ? ? ?同步傳輸:? 阻塞方式，讓啟動I/O的進程掛起等待，直至數(shù)據(jù)傳輸完成

? ? ? ? 4.緩沖技術(shù)；建立緩沖區(qū)，讓數(shù)據(jù)的到達(dá)率和離去率相匹配，以提高系統(tǒng)吞吐率

??2.2? I/O軟件層次/ I/O子系統(tǒng)層次

? ? ? ? 1.? 中斷處理程序;

? ? ? ? 2.? 設(shè)備驅(qū)動程序；

? ? ? ? 3.? 獨立于設(shè)備的I/O軟件;

? ? ? ? 4.? 用戶空間的I/O軟件;

? ?下四層構(gòu)成內(nèi)核空間I/O軟件 ，linux系統(tǒng)編寫C程序調(diào)用printf()的過程如下圖:

? ? ? ? ?1. 用戶程序調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)庫函數(shù)printf() ；

? ? ? ? ?2.? printf函數(shù)中通過一系列系統(tǒng)調(diào)用轉(zhuǎn)到write()函數(shù)，write()中有陷阱指令（用戶態(tài)->內(nèi)核態(tài)）int 0x80 (IA-32)；

? ? ? ? ?3.? 進程進入內(nèi)核態(tài)，系統(tǒng)調(diào)用處理程序system_call() --系統(tǒng)調(diào)用的唯一入口，開始執(zhí)行；

? ? ? ? ?4.? 將根據(jù)EAX寄存器中的系統(tǒng)調(diào)用號跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用服務(wù)例程sys_write()；

? ? ? ? ?5.? 執(zhí)行結(jié)束后返回用戶態(tài)，接著執(zhí)行后面一條指令。??

//write()封裝函數(shù)對應(yīng)的匯編代碼，AT&T格式write:push1 %ebx // 將EBX入棧movl $4, %eax // 將系統(tǒng)調(diào)用號送EAXmovl 8(%esp), %ebx // 將第一個參數(shù)fd送EBXmovl 12(%esp), %ecx // 將第二個參數(shù)buf送ECXmovl 16(%esp), %edx // 將第三個參數(shù)n送EDX int $0x80 // 進入系統(tǒng)調(diào)用處理程序system_call執(zhí)行cmpl $-132, %eax // 檢查返回值，假定最大出錯碼為131 jbe .L1 // 若無錯誤，跳轉(zhuǎn)至.L1negl %eax // 將返回值取負(fù)送EAXmovl %eax, error // 將EAX值送errormovl $-1, %eax // 將write函數(shù)返回值置-1 .L1: popl %ebxret

? ? ? ? ? ? ?

? ?2.2.1 I/O中斷處理程序

? ?2.2.2 I/O設(shè)備驅(qū)動程序功能

? ? ? 1.設(shè)備初始化；

? ? ? 2.執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動例程；

? ? ? 3、調(diào)用和執(zhí)行中斷處理程序

? ?2.2.3 獨立于設(shè)備的I/O軟件

? ? 執(zhí)行適用于所有設(shè)備的常用功能，并向用戶層軟件提供一致性接口

? ? ? ? ? ? ? 1.設(shè)備命名與保護；

? ? ? ? ? ? ? 2.提供與設(shè)備無關(guān)的快尺寸；

? ? ? ? ? ? ? 3, 緩沖技術(shù)；

? ? ? ? ? ? ? 4.設(shè)備分配與狀態(tài)跟蹤；

? ? ? ? ? ? ? 5.錯誤處理與報告（與設(shè)備無關(guān)）

? ?2.2.4?用戶空間的I/O軟件

? ? unix高級環(huán)境編程中的各種I/O，如標(biāo)準(zhǔn)I/O、 系統(tǒng)級I/O(read.write)?

? ? C標(biāo)準(zhǔn)I/O庫函數(shù)的不足：

? ? ? ? ?1.? 不存在加鎖、解鎖保證文件的安全性

? ? ? ? ?2.? 所有I/O是同步的，程序必須執(zhí)行完I/O后才能繼續(xù)執(zhí)行

? ? ? ? ?3.? 無法使用其完成某些I/O功能

? ? ? ? ?4.? 進行網(wǎng)絡(luò)編程易于出現(xiàn)緩沖區(qū)溢出

? ?故常常自行封裝系統(tǒng)級I/O構(gòu)造適合自己的I/O軟件，windows API:CreateFile()..?

三、I/O硬件和軟件的接口

? I/O設(shè)備

?設(shè)備控制器

? I/O端口及其編址

四、緩沖技術(shù)（待補充）

五、驅(qū)動調(diào)度技術(shù)

? 提高磁盤I/O速度的方法

六、設(shè)備分配

? ?設(shè)備獨立性：邏輯設(shè)備 映射為 物理設(shè)備

七、虛擬設(shè)備：脫機外圍計算機

八、Linux設(shè)備管理（待完善）

? 5種I/O模型：

? ? ? ? 阻塞I/O

? ? ? ? 非阻塞I/O

? ? ? ? ?復(fù)用型I/O

? ? ? ? ?信號驅(qū)動I/O

? ? ? ? ? 異步I/O

? ? 基本過程：數(shù)據(jù)-> 內(nèi)核緩沖區(qū) ->進程緩沖區(qū)

? 8.1 高級I/O

非阻塞I/O、記錄鎖、I/O多路轉(zhuǎn)接(select/poll)、異步I/O、readv和writev、存儲映射I/O

指定非阻塞I/O的標(biāo)志:

? ? ?1. 調(diào)用open指定O_NONBLOCK；

? ? ?2. 已經(jīng)打開的描述符調(diào)用fcntl，由該函數(shù)打開O_NONBLOCK文件狀態(tài)標(biāo)志;

POSIX.1要求：對于一個非阻塞的描述符，如果無數(shù)據(jù)可讀，則read返回-1，errno設(shè)置為EAGAIN

非阻塞I/O: open、read、write設(shè)置為NONBLOCK，通過輪詢的方式讀寫數(shù)據(jù)；

設(shè)備鎖

? 8.2? 終端I/O

工作模式：規(guī)范模式輸入處理，以行為單位處理，對于每個讀請求，終端驅(qū)動程序最多返回一行
? ? ? ? ?非規(guī)范模式輸入處理，輸入字符不裝配成行
? 終端設(shè)備是由通常位于內(nèi)核中的中斷驅(qū)動程序控制的，每個終端設(shè)備都有一個輸入隊列和輸出隊列
? ? ? ? ?如果打開了回顯功能，則在輸入隊列和輸出隊列之間有一個隱含的鏈接

? struct termios {tcflag_t c_iflag; ? /* input flag 通過終端設(shè)備驅(qū)動程序控制字符的輸入 剝除輸入字節(jié)的第8位，允許輸入奇偶校驗*/tcflag_t c_oflag; ? /* output flag 控制字符的輸出， */tcflag_t c_cflag; ? /* control flag RS-232串行線， 忽略調(diào)制解題器的狀態(tài)線，每個字符的一個或兩個停止位*/tcflag_t c_lflag; ? /* local flags 影響驅(qū)動程序與用戶的接口，回顯開關(guān)，*/cc_t cc_c[NCCS]; ? ?/* control characters */ }

? ??

c_cflag終端標(biāo)志

c_iflag終端標(biāo)志

c_lflag終端標(biāo)志

c_oflag終端標(biāo)志

終端I/O函數(shù)

與終端有關(guān)函數(shù)的關(guān)系

終端行規(guī)程

#include <termios.h> /* 獲取和設(shè)置終端屬性 */ int tcgetattr(int fd, struct termios *termptr) int tcsetattr(int fd, int opt, const struct termios *termptr)/* 波特率函數(shù) */ speed_t cfgetispeed(const struct termios *termptr) speed_t cfgetospeed(const struct termios *termptr)int cfsetispeed(const struct termios *termptr, speed_t speed); int cfsetospeed(const struct termios *termptr, speed_t speed);#include <stdio.h> /* 確定控制終端的名字 */ char *ctermid(char *ptr)

?

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的操作系统总结Unix环境编程(四) ---- 设备管理(I/O原理）的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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