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I/O 硬件管理

I/O设备

• 块设备
• 字符设备

设备控制器

IO设备由机械部件与电子部件构成 电子部件称为设备控制器或者适配器 控制器的任务： 将串行的比特流转换为字节块， 并完成纠错工作

内存映射IO

给控制寄存器分配一个IO端口， 所有IO端口形成IO端口空间 将IO设备寄存器映射到内存上 内存映射IO优点：

• 无需使用特殊指令读取IO设备寄存器
• 不需要特殊保护机制阻止用户进程进行IO操作
• 可以引用内存的指令也能引用控制寄存器

缺点：

• 不能使用高速缓存

直接存储器存取

加入一个中间层 从CPU-设备 变成 CPU - DMA - 设备

• 突发模式
• 飞越模式： 让设备控制器将数据直接写到主存

控制器内部缓存区存在的原因

• 校验数据
• 总线可能忙

中断

中断向量

• 精确中断：机器停留在一个明确状态的中断

  • 程序计数器保留在一个已知的地方
  • 所指向的指令之前的所有指令已执行完毕
  • 所执行的指令之后的所有指令都还未执行
  • 所指向的指令的执行状态是已知的

• 不精确中断

IO软件原理

IO软件的目标

设备独立性

• 统一命名

错误处理

• 低层能处理的问题，就不要交给高层

同步与异步

缓冲

程序控制IO

让CPU做全部工作 程序控制IO伪代码:

copy_from_user(buffer,p,count);
for(i = 0;i<count;i++){
    while (*p_regs != READY){
        *p_regd = p[i];
    }
}
return_to_user();

中断驱动IO

使用DMA的IO

• 让DMA控制数据传输，而不必打扰CPU

IO软件层次

中断处理程序

在响应一个特定中断的时候，内核会执行一个函数，该函数叫中断处理程序

设备驱动程序

每个链接到计算机上的IO设备都需要某些设备特定代码进行控制，称之为设备驱动程序 可重入性

与设备无关的IO软件

• 与设备无关的IO软件的功能

  • 设备驱动程序的统一接口
  • 缓冲
  • 错误报告
  • 分配与释放专用设备
  • 提供与设备无关的块大小

磁盘

结构

• 盘面（Platter）：一个磁盘有多个盘面
• 磁道（Track）：盘面上的圆形带状区域，一个盘面可以有多个磁道
• 扇区（Track Sector）：磁道上的一个弧段，一个磁道可以有多个扇区，它是最小的物理储存单位，目前主要有 512 bytes 与 4 K 两种大小
• 磁头（Head）：与盘面非常接近，能够将盘面上的磁场转换为电信号（读），或者将电信号转换为盘面的磁场（写）
• 制动手臂（Actuator arm）：用于在磁道之间移动磁头
• 主轴（Spindle）：使整个盘面转动

磁盘硬件

• 磁盘 RAID
• 磁盘格式化 低级格式化 分区 高级格式化

磁盘臂调度算法

旋转时间：主轴转动盘面，使得磁头移动到适当的扇区上 寻道时间：制动手臂移动，使得磁头移动到适当的磁道上 数据传输时间

• 先来先服务算法
  • 按照磁盘请求的顺序进行调度
  • 公平简单，但是没有对寻道做任何优化，平均寻道时间较长
• 最短寻道优先
  • 优先调度距距离磁头最近的磁道
  • 不够公平，如果一个请求距离当前磁头比较远，会出现饥饿现象
• 电梯算法
  • 总是保持一个方向运行，直到该方向没有请求为止，然后改变运行方向

错误处理

稳定存储器

• 稳定写
• 稳定读
• 崩溃恢复

时钟

时钟硬件

• 一次完成模式
• 方波模式

时钟软件

• 维护日时间
• 防止进程超时运行
• 对CPU使用情况进行记账
• 处理alarm系统调用
• 为系统各部分提供监视定时器
• 完成信息收集

软定时器

用户界面：键盘、鼠标和监视器

输入软件

• 键盘软件

  • 原始模式
  • 加工模式

• 鼠标软件

  $\Delta$x $\Delta$y 按钮

输出软件

• 文本窗口
• X窗口系统
• 图形用户界面
• 位图
• 字体
• 触摸屏

瘦客户机

电源管理

• 硬件问题

• 操作系统问题

  • 显示器
  • 硬盘
  • CPU
  • 内存
  • 无线通信
  • 热量管理
  • 电源管理
  • 驱动程序接口

• 应用程序问题