操作系统实现IO的三种方式

发布时间:2021-09-28 23:40:14

IO设备是除CPU和存储器之外的另一大需要操作系统管理的资源,它和操作系统有密切的联系。


IO设备一般包括:设备控制器和设备本身。设备控制器是插在电路板上的一块芯片或一组芯片,由这块电路板物理地控制设备。它从操作系统接受命令,例如,从设备读数据,并且完成数据的处理。


每一类设备控制器都是不同的,所以需要不同的软件进行控制。这些专门用来和设备控制器对话,发出命令并接受响应的软件,成为设备驱动程序。为了使用这些驱动程序,必须把设备驱动程序装入到操作系统中,这样它才能在核心态运行。


每个设备控制器都有少量的用于通信的寄存器。例如,一个最小的磁盘控制器也会有用于指定磁盘地址、内存地址、扇区计数和方向(读和写)的寄存器。要激活控制器,设备驱动程序从操作系统获得一条命令,然后翻译成对应的值,并写进设备寄存器中。


实现输入输出的方式有三种:


1.忙等待:


用户程序发出一个系统调用-->内核将其翻译成一个设备驱动程序的过程调用-->设备驱动程序启动IO,并在一个连续不断的循环中检查该设备,看其是否完成工作-->IO完成后,设备驱动程序把数据送到指定的地方,然后返回-->操作系统将控制返回给调用者。


缺点:要占据CPU,CPU一直轮询设备直到对应的IO操作完成。


2.中断


当设备驱动程序检测到该设备操作完成后,发出一个中断告诉CPU。


一旦CPU决定中断,通常程序计数器PC和程序状态字PSW就被压入当前堆栈中,并且CPU被切换到用户态。


3.使用DMA


为IO使用一种特殊的直接存储器访问(Direct Memory Access)芯片,它无需CPU干预,可以控制在内存和某些控制器之间的位流。CPU对DMA进行设置,说明需要传送的字节数,有关的设备和内存地址以及操作方向,接着启动DMA。当DMA芯片完成时,它会引发一个中断。


以上是《现代操作系统》中的解释,我们再看看《操作系统--精髓与设计原理》中的描述:


针对I/O操作有3种可能的技术


可编程(程序控制)I/O(需处理器干预)中断驱动I/O(需处理器干预)直接内存存取

当处理器正在执行程序并遇到一个I/O相关的指令时,它通过给相应的I/O模块发命令来执行这个指令:


1)使用可编程I/O时,I/O模块执行请求的动作并设置I/O状态寄存器中相应的位,但它并不进一步通 知处理器,尤其是它并不中断处理器,因此处理器在执行I/O指令后,还需定期检查I/O模块的状态。为了确定I/O模块是否做好了接收或发送更多数据的准备,处理器等待期间必须不断询问I/O模块的状态,这会严重降低整个系统的性能


2)如果是中断驱动I/O,在给I/O模块发送I/O命令后,处理器可以继续做其它事。当I/O模块准备好与处理器交换数据时,会中断处理器并请求服务,处理器接着响应中断,完成后再恢复以前的执行过程


尽管中断驱动I/O比可编程I/O更有效,但是处理器仍需要主动干预在存储器和I/O模块直接的数据传送,并且任何数据传送都必须完全通过处理器。由于需要处理器干预,这两种I/O存在下列缺陷:


I/O传送速度受限于处理器测试设备和提供服务的速度(数据传送受限于处理器)处理器忙于管理I/O传送工作,必须执行很多指令以完成I/O传送(处理器为数据传送需要做很多事)

3)因此,当需要移动大量数据时,需要使用一种更有效的技术:直接内存存取。DMA功能可以由系统总线中一个独立的模块完成,也可以并入到一个I/O模块中。


DMA的工作方式如下,当处理器需要读写一块数据时,它给DMA模块产生一条命令,发送下列信息:


是否请求一次读或写涉及的I/O设备的地址开始读或写的存储器单元需要读或写的字数

之后处理器继续其它工作。处理器将这个操作委托给DMA模块,DMA模块直接与存储器交互,这个过程不需要处理器参与。当传送完成后,DMA模块发送一个中断信号给处理器。因此只有在开始和结束时,处理器才会参与


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