5-2的副本

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灶裴
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1 操作系统 5. 输入与输出 Input / Output (I/O) 任课教师 : 熊焰黄文超

2 I/O 硬件原理理芯片电路路电源马达硬件编程软件接口硬件指令调用函数返回错误电子工程师 Electrical Engineers 操作系统程序员 Programers

3 I/O 硬件原理理 I/O 设备 I/O 设备的分类块设备 (Block Devices) 块大小固定, 可寻址硬盘蓝光光盘 U 盘字符设备 (Character Devices) 传输字符流, 不不可寻址打印机,mice, rats, 其它看起来不不像磁盘的设备...

4 I/O 硬件原理理 I/O 设备 Device Data rate Ke yboard 10 bytes/sec Mouse 100 bytes/sec 56K modem 7 KB/sec Scanner at 300 dpi 1 MB/sec Digital camcorder 3.5 MB/sec 4x Blu-ray disc 18 MB/sec n Wireless 37.5 MB/sec USB MB/sec FireWire MB/sec Gigabit Ethernet 125 MB/sec SATA 3 disk drive 600 MB/sec USB MB/sec SCSI Ultra 5 bus 640 MB/sec Single-lane PCIe 3.0 bus 985 MB/sec Thunderbolt 2 bus 2.5 GB/sec SONET OC-768 networ k 5 GB/sec

5 I/O 硬件原理理设备控制器器 (Device Controllers) Monitor Keyboard USB printer Hard disk drive CPU MMU Memory Video controller Keyboard controller USB controller Hard disk controller Bus 控制器器的作用 : 设备的 bit 流 > 字节块 > 校验例例 : LCD 控制器器 : 设定各参数, 然后传字符流

6 I/O 硬件原理理内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O) 控制器器中的组件寄存器器 : 与 CPU 交互数据缓存 : 用于大量量数据读写, 例例如 : 显示像素点

7 I/O 硬件原理理内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O) 控制器器中的寄存器器每个寄存器器被分配一个 I/O port number (8 位或 16 位 ) I/O port 集合构成了了 I/O port 空间 ( 仅操作系统可访问 ) 例例 : IN REG, PORT OUT PORT, REG MOV 与 IN 不不同!

8 I/O 硬件原理理内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O) Two address One address space Two address spaces 0xFFFF Memory I/O ports 0 (a) (b) (c) Figure 5-2. (a) Separate I/O and memory space. (b) Memory-mapped I/O. (c) Hybrid.

9 I/O 硬件原理理内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O) 内存映射 I/O 与寄存器器访问相比 ( 优点 ) 易易于编程 ( 权限问题 ) 不不需要特殊保护机制带引用的指令 LOOP: TEST PORT 4 // check if por t 4 is 0 BEQ READY // if it is 0, go to ready BRANCH LOOP // otherwise, continue testing READY:

10 I/O 硬件原理理内存映射 I/O (Memory-Mapped I/O) 内存映射 I/O 与寄存器器访问相比 ( 缺点 ) Cache 问题 ( 灾难性问题 ) 多总线问题 CPU reads and writes of memory go over this high-bandwidth bus CPU Memory I/O CPU Memory I/O All addresses (memory and I/O) go here (a) Bus (b) This memory port is to allow I/O devices access to memory Figure 5-3. (a) A single-bus architecture. (b) A dual-bus memory architecture.

11 I/O 硬件原理理直接存储器器访问 (Direct Memory Access, DMA) 前两种方案共有的问题 : CPU 发送一次请求, 只能获取一个字节! 直接存储器器访问 (Direct Memory Access, DMA) Drive CPU 1. CPU programs the DMA controller DMA controller Disk controller Buffer Main memory Address Count Control 4. Ack Interrupt when done 2. DMA requests transfer to memory 3. Data transferred Bus

12 I/O 硬件原理理直接存储器器访问 (Direct Memory Access, DMA) DMA 的缺点 CPU 的速度比 DMA 控制器器快只使用 CPU 会更更省钱 ( 比如嵌入式系统 )

13 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) 中断可以使 CPU 停止当前工作, 并开启另一个工作 CPU 3. CPU acks interrupt Interrupt controller 1. Device is finished Disk 2. Controller issues interrupt Clock Keyboard Printer Bus 如果没有其它中断在等待, 中断控制器器马上处理理中断如果有另一个设备同时也发起中断, 则忽略略该中断

14 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) 过程 1. Interrupt controller 在地址线上放置一个数字, 表明哪个设备需要关注并置起一个 Interrupt signal; 2. CPU 接受到 Interrupt signal 后停止当前工作 ; 3. CPU 根据地址线上的数字查找 interrupt vector table; 4. CPU 获得对应 interrupt vector 的 PC, 并执行行 interrupt-service procedure ; 5. interrupt-service procedure 开始运行行后, 将一个确定的值写到 Interrupt controller 的某个 I/O 端口作为响应以告诉 Interrupt controller 可以继续发出中断

15 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) 问题 1: 如何保存信息方法 1: 放入寄存器器? 缺点 : 需等待很长时间, 直至所有的信息被读取方法 2: 放入栈? 用户栈? 可能导致错误内核栈? 需要切换到内核模式, 很多 TLB 和 cache 将失效

16 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) 问题 2: 现代 CPU 多使用流水线 (Pipeline) 和超纯量量 (Superscalar) 优化问题 : 从前的模型 : 每个指令按顺序执行行优化的模型 :Program Counter 不不再有效指令已预先被执行行 (Pipeline) 或多指令并行行执行行 (Superscalar)

17 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) Precise Interrupt VS Imprecise Interrupt PC Not executed Not executed Not executed Not executed Fully executed Fully executed Fully executed Fully executed (a) PC Not executed 10% executed 40% executed 35% executed 20% executed 60% executed 80% executed Fully executed (b) Figure 5-6. (a) A precise interrupt. (b) An imprecise interrupt.

18 I/O 硬件原理理中断 (Interrupts) 各自的优缺点 Precise Interrupt 高兼容性芯片设计难度变高 Imprecise Interrupt 由于芯片设计难度降低, 多余的空间可用于提高CPU 性能但操作系统的设计难度变高

19 I/O 软件原理理目标设备独立性 (Device independence) 统一命名 (Uniform naming) 错误处理理 (Error handling) 同步 (synchronous) 与非同步 (asynchronous) 大多物理理设备为非同步但同步程序更更易易于编写缓冲 (buffering) 例例 Audio recording 可共享 (Sharable) 设备 V.S. 独享 (dedicated) 设备 Printer. VS disk

20 I/O 软件原理理种类编程 I/O (Programmed I/O) 中断驱动 I/O (Interrupt-Driven I/O) 使用 DMA 的 I/O

21 让 CPU 做所有的工作 I/O 软件原理理 Programmed I/O User space Kernel space String to be printed ABCD EFGH Printed page Next ABCD EFGH Printed page A Next ABCD EFGH AB (a) (b) (c) Figure 5-7. Steps in printing a string.

22 让 CPU 做所有的工作 I/O 软件原理理 Programmed I/O copy from user(buffer, p, count); / * p is the ker nel buffer * / for (i = 0; i < count; i++) { / * loop on every character * / while ( * pr inter status reg!= READY) ; / * loop until ready * / * pr inter data register = p[i]; / * output one character * / } retur n to user( );

23 I/O 软件原理理 Interrupt-Driven I/O copy from user(buffer, p, count); if (count == 0) { enable interr upts( ); unblock user( ); while ( * pr inter status reg!= READY) ; } else { * pr inter data register = p[0]; * pr inter data register = p[i]; scheduler( ); count = count 1; i = i + 1; } acknowledge interr upt( ); retur n from interr upt( ); (a) (b) Figure 5-9. Writing a string to the printer using interrupt-driven I/O. (a) Code executed at the time the print system call is made. (b) Interrupt service procedure for the printer.

24 I/O 软件原理理 I/O Using DMA copy from user(buffer, p, count); acknowledge interr upt( ); set up DMA controller( ); unblock user( ); scheduler( ); retur n from interr upt( ); (a) (b) Figure Printing a string using DMA. (a) Code executed when the print system call is made. (b) Interrupt-service procedure.

25 I/O 的软件层次 User-level I/O software Device-independent operating system software Device drivers Interrupt handlers Hardware

26 I/O 的软件层次中断处理理程序 (Interrupt Handlers) 操作系统需完成如下复杂的任务 : 1. 保存没有被中断硬件保存的所有寄存器器 (PSW) 2. 为中断服务过程设置上下文 3. 为中断服务过程设置堆栈 4. 应答中断控制器器 5. 将寄存器器从被保存的地方复制到进程表 6. 运行行中断服务过程 7. 选择下一次运行行哪个进程 8. 为下个进程设置 MMU 上下文 9. 装入新进程的寄存器器 10. 运行行新进程

27 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) 每个连接到计算机的 I/O 设备都需要某些特定的代码来对其进行行控制, 这样的代码称之为设备驱动程序驱动程序一般由设备制造商提供设备驱动程序通常是必须是操作系统内核的一部分 ( 现阶段如此, 但不不安全 ) 那么操作系统的任务是什什么? 提供一种体系结构来允许驱动程序的安装 : 驱动程序可以做什什么事情该驱动程序如何与操作系统的其余部分相互作用

28 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) User process User space User program Rest of the operating system Kernel space Printer driver Camcorder driver CD-ROM driver Hardware Printer controller Camcorder controller CD-ROM controller Devices

29 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) 驱动程序的类别字符设备 (character device) 键盘打印机块设备 (block device) 磁盘

30 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) 某些系统中, 操作系统是一个二进制程序它包含所有驱动程序目前的计算机系统内核与驱动程序分离

31 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) 驱动程序的运行行过程启动 : 检查输入参数是否有效检查设备是否在使用控制 : 接收一系列列命令将命令写了了控制寄存器器检测控制器器状态, 并写入下一条命令

32 I/O 的软件层次设备驱动程序 (Device Drivers) 驱动程序的两种运行行模式阻塞非阻塞如发送滚动屏幕的命令 ( 发送字节少, 不不需阻塞 )

33 I/O 的软件层次与设备无关的 I/O 软件设备驱动程序的统一接口 Operating system Operating system SATA disk driver USB disk driver SCSI disk driver (a) SATA disk driver USB disk driver SCSI disk driver (b)

34 I/O 的软件层次与设备无关的 I/O 软件设备驱动程序的统一接口优点 : 无需不不断修改操作系统减少驱动编程难度工作方式 : 操作系统定义一组驱动程序所必须支持的函数驱动程序提供一张表格 : 每个函数的指针地址

35 I/O 的软件层次与设备无关的 I/O 软件缓冲 User process User space Kernel space Modem Modem Modem Modem (a) (b) (c) (d)

36 I/O 的软件层次与设备无关的 I/O 软件错误报告编程错误实际的 I/O 错误分配与释放专用设备与设备无关的块大小

37 I/O 的软件层次用户空间的 I/O 软件两种形式库过程 (library procedure) count = write(fd, buffer, nbytes); printf("the square of %3d is %6d\n", i, i*i); 守护进程 (Daemon) Spooling 技术

38 I/O 的软件层次总结 Layer I/O reply I/O functions I/O request User processes Device-independent software Device drivers Make I/O call; format I/O; spooling Naming, protection, blocking, buffering, allocation Set up device registers; check status Interrupt handlers Wake up driver when I/O completed Hardware Perform I/O operation

39 盘 (Disks) 磁盘 (Magnetic Disks) 柱面 :cylinder 磁道 :Track 扇区 :Sector

40 盘 (Disks) 磁盘 (Magnetic Disks) Parameter IBM 360-KB floppy disk WD 3000 HLFS hard disk Number of cylinders 40 36,481 Tr acks per cylinder Sectors per track 9 63 (avg) Sectors per disk ,072,368 Bytes per sector Disk capacity 360 KB 300 GB Seek time (adjacent cylinders) 6 msec 0.7 msec Seek time (average case) 77 msec 4.2 msec Rotation time 200 msec 6 msec Time to transfer 1 sector 22 msec 1.4 µsec 柱面 :cylinder 磁道 :Track 扇区 :Sector

41 盘 (Disks) 磁盘 (Magnetic Disks)

42 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) CPU 性能与磁盘性能的巨大差距同时使用多个磁盘, 以提高磁盘性能 : RAID Redundant Array of Inexpensive Disks Redundant Array of Independent Disks 反面例例子 : SLED (Single Large Expensive Disk)

43 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID)

44 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 0) 优点 : 速度快缺点 : 不不容错

45 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 1) 优点 : 容错缺点 : 空间和时间开销大

46 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 2) 优点 : 时空开销小缺点 : 校验计算开销大

47 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 3) 优点 : 校验计算开销相当较小缺点 : 需要多个磁盘高度同步

48 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 4) 优点 : 批量量校验缺点 : 负载不不均

49 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 5) 优点 : 负载均衡缺点 : 可进一步提高稳定性

50 盘 (Disks) 磁盘阵列列 (RAID) 多种不不同类型的 Raid (Level 6) 优点 : 稳定性更更高, 读取速度影响不不大缺点 : 写入速度降低

51 盘 (Disks) 磁盘格式化低级格式化 : Preamble Data ECC Figure A disk sector. 磁盘可使用容量量为什什么比标配容量量小? 取决于前导码扇区间间隙和 ECC 的大小

52 盘 (Disks) 磁盘格式化低级格式化 : 优化布局 Direction of disk rotation

53 低级格式化 : 优化布局盘 (Disks) 磁盘格式化考虑将数据传送至主存的时间差 (a) (b) (c) Figure (a) No interleaving. (b) Single interleaving. (c) Double interleaving.

54 盘 (Disks) 磁盘格式化高级格式化分区 : 分配每个区的起始扇区和大小标记活动分区再高级格式化 : 设置分区格式

55 盘 (Disks) 磁盘臂调度算法影响磁盘读取速度的三个因素寻道时间 ( 磁盘臂移动到指定柱面的所需时间 ) 旋转延迟 ( 等待指定扇区旋转到磁头下所需时间 ) 实际数据传输时间

56 盘 (Disks) 磁盘臂调度算法不不做优化 : 先来先服务 (First-Come First-Served, FCFS)

57 盘 (Disks) 磁盘臂调度算法最短寻道优先 (Shortest Seek First) 缺点 : 不不公平 Initial position Pending requests X X X X X X X Cylinder Time Sequence of seeks Figure Shortest Seek First (SSF) disk scheduling algorithm.

58 盘 (Disks) 磁盘臂调度算法电梯算法考虑了了公平性 Initial position X X X X X X X Cylinder Time Sequence of seeks Figure The elevator algorithm for scheduling disk requests.

59 时钟时钟硬件一般两种类型交流电的电压 Crystal oscillator 特殊部件 : 可编程时钟晶体振荡器器计数器器存储寄存器器

60 时钟时钟软件时钟驱动程序维护日时间防止进程超时运行行对 CPU 使用情况进行行审计处理理用户的 alarm 系统调用为系统各部分提供监视定时器器完成概要剖析监视和统计信息收集

61 时钟软定时器器中断依然具有一定开销有些情况下, 不不需要定时间器器产生中断 : 操作系统有大量量定时任务操作系统经常切换至内核态方案每次从内核态切换至用户态前, 检查时钟, 判断是否可以执行行某些到期的过程

62 图形用户接口 Graphic User Interface (GUI) (0, 0) (1023, 0) (200, 100) Menu bar Tool bar Title bar File Edit View Tools Options Help Thumb Client area Scroll bar Window (0, 767) (1023, 767)

63 图形用户接口 Graphic User Interface (GUI) #include <windows.h> int WINAPI WinMain(HINSTANCE h, HINSTANCE, hprev, char * szcmd, int icmdshow) { WNDCLASS wndclass; / * class object for this window * / MSG msg; / * incoming messages are stored here * / HWND hwnd; / * handle (pointer) to the window object * / / * Initialize wndclass * / wndclass.lpfnwndproc = WndProc; / * tells which procedure to call * / wndclass.lpszclassname = "Program name"; / * text for title bar * / wndclass.hicon = LoadIcon(NULL, IDI APPLICATION); / * load program icon * / wndclass.hcursor = LoadCursor(NULL, IDC ARROW); / * load mouse cursor * / RegisterClass(&wndclass); / * tell Windows about wndclass * / hwnd = CreateWindow (... ) / * allocate storage for the window * / ShowWindow(hwnd, icmdshow); / * display the window on the screen * / UpdateWindow(hwnd); / * tell the window to paint itself * / } while (GetMessage(&msg, NULL, 0, 0)) { / * get message from queue * / Tr anslatemessage(&msg); / * translate the message * / DispatchMessage(&msg); / * send msg to the appropriate procedure * / } retur n(msg.wparam);

64 图形用户接口 Graphic User Interface (GUI) long CALLBACK WndProc(HWND hwnd, UINT message, UINT wparam, long lparam) { / * Declarations go here. * / } switch (message) { case WM CREATE:... ; retur n... ; / * create window * / case WM PAINT:... ; retur n... ; / * repaint contents of window * / case WM DESTROY :... ; retur n... ; / * destroy window * / } retur n(defwindowproc(hwnd, message, wparam, lparam)); / * default * /

Guide to Install SATA Hard Disks

Guide to Install SATA Hard Disks SATA RAID 1. SATA. 2 1.1 SATA. 2 1.2 SATA 2 2. RAID (RAID 0 / RAID 1 / JBOD).. 4 2.1 RAID. 4 2.2 RAID 5 2.3 RAID 0 6 2.4 RAID 1.. 10 2.5 JBOD.. 16 3. Windows 2000 / Windows XP 20 1. SATA 1.1 SATA Serial