Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.1Applied Operating System Concepts
Module 12,I/O Systems(I/O系统）
I/O hardwared（ I/O硬件）
Application I/O Interface（ 应用程序 I/O接口）
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Transforming I/O Requests to Hardware Operations
（ 转换 I/O请求为硬件操作）
Performance（ 性能）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.2Applied Operating System Concepts
I/O Hardware(I/O硬件）
Incredible variety of I/O devices（ 难以置信的 I/O设备种类）
Common concepts（ 基本概念）
– Port （ 端口）
– Bus (daisy chain or shared direct access)
（ 总线：菊花链或者共享总线）
– Controller (host adapter)（ 控制器，主机适配器）
I/O instructions control devices（ I/O指令控制设备）
Devices have addresses,used by （ 设备的寻址方式）
– Direct I/O instructions（ 直接 I/O指令）
– Memory-mapped I/O（ 存储器映射 I/O指令）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.3Applied Operating System Concepts
Polling（ 轮询）
Determines state of device （ 决定设备的状态）
– command-ready（ 等待命令）
– Busy（ 忙）
– Error（ 错误）
Busy-wait cycle to wait for I/O from device
（ 忙等待循环等待设备的 I/O操作）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.4Applied Operating System Concepts
Interrupts（ 中断）
CPU Interrupt request line triggered by I/O device
（ CPU的中断需要有 I/O设备的触发）
Interrupt handler receives interrupts
（ 中断处理例程接收中断）
Maskable to ignore or delay some interrupts
（ 通过屏蔽来忽略或者延迟某些中断）
Interrupt vector to dispatch interrupt to correct handler
（ 中断向量给中断分配正确的中断处理例程）
– Based on priority（ 以优先级为基础）
– Some unmaskable（ 某些中断不可屏蔽）
Interrupt mechanism also used for exceptions
（ 中断机制也用在异常）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.5Applied Operating System Concepts
Interrupt-drive I/O Cycle（ 中断驱动的 I/O循环）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.6Applied Operating System Concepts
Direct Memory Access（ 直接内存存取）
Used to avoid programmed I/O for large data movement
（ 用来避免编程 I/O来传输大量的数据）
Requires DMA controller（ 需要 DMA控制器）
Bypasses CPU to transfer data directly between I/O device
and memory （ 绕过 CPU来在 I/O设备和内存之间直接传输数据）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.7Applied Operating System Concepts
Six step process to perform DMA transfer
(通过六步来完成 DMA传输 )
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.8Applied Operating System Concepts
Application I/O Interface（ 应用程序 I/O接口）
I/O system calls encapsulate device behaviors in generic
classes
（ I/O子系统设备行为精简成几个常用的类别）
Device-driver layer hides differences among I/O controllers
from kernel（ 设备驱动层对核心隐藏了 I/O控制器的不同细节）
Devices vary in many dimensions（ 设备变化范围非常大）
– Character-stream or block（ 字符流或者块设备）
– Sequential or random-access（ 顺序或随机设备）
– Sharable or dedicated（ 共享或独占设备）
– Speed of operation（ 操作速度的不同）
– read-write,read only,or write only（ 读写，只读，只写）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.9Applied Operating System Concepts
Block and Character Devices（ 块或字符设备）
Block devices include disk drives（ 块设备包括磁盘）
– Commands include read,write,seek
（ 命令包括读，写，搜寻）
– Raw I/O or file-system access
（ 原始的 I/O或文件系统存取）
– Memory-mapped file access possible
（ 存储器映射文件访问的可能性）
Character devices include keyboards,mice,serial ports
（ 字符设备包括键盘，鼠标和串口设备）
– Commands include get,put（ 命令有 get,put)
– Libraries layered on top allow line editing
（ 顶层的函数库允许行编辑）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.10Applied Operating System Concepts
Network Devices（ 网络设备）
Varying enough from block and character to have own
interface
（ 从块设备和字符设备变化而来，有独自的接口）
Unix and Windows/NT include socket interface
（ Unix和 Windows/NT包括 socket接口）
– Separates network protocol from network operation
（ 分离网络协议于网络操作）
– Includes select functionality（ 包括 select功能）
Approaches vary widely (pipes,FIFOs,streams,queues,
mailboxes)（ 方式广泛：管道,FIFOs,流，队列，邮箱）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.11Applied Operating System Concepts
Clocks and Timers（ 时钟和记时器）
Provide current time,elapsed time,timer
（ 提供当前的时间，经过的时间，计时器）
if programmable interval time used for timings,periodic
interrupts（ 如果把可编程的时间间隔用于计时，那么定期中断）
ioctl (on UNIX) covers odd aspects of I/O such as clocks
and timers
（ 在 UNIX中,ioct1掩盖了 I/O设备（象时钟和计时器）之间区别）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.12Applied Operating System Concepts
Blocking and Nonblocking I/O
阻塞和非阻塞 I/O
Blocking - process suspended until I/O completed
（ 阻塞 —进程挂起直到 I/O完成）
– Easy to use and understand（ 容易使用和理解）
– Insufficient for some needs（ 在某些场合没有效率）
Nonblocking - I/O call returns as much as available
（ 非阻塞 —I/O调用返回一个代表是否成功的值）
– User interface,data copy (buffered I/O)
（用户界面，数据拷贝（对 I/O缓冲））
– Implemented via multi-threading（ 通过多线程来实现）
– Returns quickly with count of bytes read or written
（ 迅速的返回读写的字节数）
Asynchronous - process runs while I/O executes
（ 异步：在 I/O处理的时候进程同时运行）
– Difficult to use（ 难以使用）
– I/O subsystem signals process when I/O completed
（ 当 I/O操作完成的时候,I/O子系统向进程发信号）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.13Applied Operating System Concepts
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Scheduling（ 调度）
– Some I/O request ordering via per-device queue
（ 某些 I/O需要按设备队列的顺序）
– Some OSs try fairness（ 某些操作系统尝试着公平）
Buffering - store data in memory while transferring between
devices（ 缓冲 —当设备间传输数据的时候，暂时存放在内存中）
– To cope with device speed mismatch
（ 解决设备速度不匹配）
– To cope with device transfer size mismatch
（ 解决设备传输块的大小不匹配）
– To maintain,copy semantics”
（ 为了维持拷贝语句的语义要求）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.14Applied Operating System Concepts
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Caching - fast memory holding copy of data
（ 高速缓存 —存放数据的快速存储器）
– Always just a copy（ 总是数据的拷贝）
– Key to performance（ 性能的关键）
Spooling - hold output for a device
（ spooling—保存设备的输出）
– If device can serve only one request at a time
（ 如果设备一次只能服务于一个请求）
– i.e.,Printing（ 比如，打印机）
Device reservation - provides exclusive access to a device
（ 设备预定 —提供对设备的独占访问）
– System calls for allocation and deallocation
（ 分配和再分配的系统调用）
– Watch out for deadlock（ 小心死锁）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.15Applied Operating System Concepts
Error Handling（ 错误处理）
OS can recover from disk read,device unavailable,transient
write failures
（ 操作系统可以恢复磁盘读，设备无效，暂时的失败）
Most return an error number or code when I/O request fails
（ 当 I/O失败时，大多数返回一个错误码 ）
System error logs hold problem reports
（ 系统日志记录了出错报告）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.16Applied Operating System Concepts
Kernel Data Structures（ 核心数据结构）
Kernel keeps state info for I/O components,including open
file tables,network connections,character device state
（ 核心保存着 I/O组件的状态，包括打开文件表，网络连接，字符设备状态）
Many,many complex data structures to track buffers,
memory allocation,“dirty” blocks
（ 许多的数据结构是为了记录缓冲，内存分配和“脏”块）
Some use object-oriented methods and message passing to
implement I/O（ 有些用面向对象的方法和消息机制来实现 I/O）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.17Applied Operating System Concepts
I/O Requests to Hardware Operations
I/O请求到硬件操作
Consider reading a file from disk for a process
（ 考虑一个进程从磁盘中读取一个文件）
– Determine device holding file （ 决定保存文件的设备）
– Translate name to device representation
（ 转换名字到设备使用的表示法）
– Physically read data from disk into buffer
（ 把数据从磁盘读到缓冲区中）
– Make data available to requesting process
（ 通知进程数据现在是有效的）
– Return control to process
（ 把控制权返回给进程）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.18Applied Operating System Concepts
Life Cycle of an I/O Request（ I/O请求的周期）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.19Applied Operating System Concepts
Performance（ 性能）
I/O a major factor in system performance
（ I/O是系统性能的主要因素）
– Demands CPU to execute device driver,kernel I/O code
（ 需要 CPU执行设备驱动，核心 I/O代码）
– Context switches due to interrupts
（ 因为中断而导致的上下文转换）
– Data copying（ 数据拷贝）
– Network traffic especially stressful（ 网络状况尤其重要）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.20Applied Operating System Concepts
Intercomputer communications
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.21Applied Operating System Concepts
Improving Performance（ 改进性能）
Reduce number of context switches（ 减少上下文转换）
Reduce data copying （ 减少数据的拷贝量）
Reduce interrupts by using large transfers,smart
controllers,polling
（ 通过使用一次大量数据传输，智能控制器和轮换来减少中断）
Use DMA（ 使用 DMA）
Balance CPU,memory,bus,and I/O performance for highest
throughput（ 平衡 CPU,内存，总线和 I/O性能以达到高吞吐率）
Module 12,I/O Systems(I/O系统）
I/O hardwared（ I/O硬件）
Application I/O Interface（ 应用程序 I/O接口）
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Transforming I/O Requests to Hardware Operations
（ 转换 I/O请求为硬件操作）
Performance（ 性能）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.2Applied Operating System Concepts
I/O Hardware(I/O硬件）
Incredible variety of I/O devices（ 难以置信的 I/O设备种类）
Common concepts（ 基本概念）
– Port （ 端口）
– Bus (daisy chain or shared direct access)
（ 总线：菊花链或者共享总线）
– Controller (host adapter)（ 控制器，主机适配器）
I/O instructions control devices（ I/O指令控制设备）
Devices have addresses,used by （ 设备的寻址方式）
– Direct I/O instructions（ 直接 I/O指令）
– Memory-mapped I/O（ 存储器映射 I/O指令）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.3Applied Operating System Concepts
Polling（ 轮询）
Determines state of device （ 决定设备的状态）
– command-ready（ 等待命令）
– Busy（ 忙）
– Error（ 错误）
Busy-wait cycle to wait for I/O from device
（ 忙等待循环等待设备的 I/O操作）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.4Applied Operating System Concepts
Interrupts（ 中断）
CPU Interrupt request line triggered by I/O device
（ CPU的中断需要有 I/O设备的触发）
Interrupt handler receives interrupts
（ 中断处理例程接收中断）
Maskable to ignore or delay some interrupts
（ 通过屏蔽来忽略或者延迟某些中断）
Interrupt vector to dispatch interrupt to correct handler
（ 中断向量给中断分配正确的中断处理例程）
– Based on priority（ 以优先级为基础）
– Some unmaskable（ 某些中断不可屏蔽）
Interrupt mechanism also used for exceptions
（ 中断机制也用在异常）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.5Applied Operating System Concepts
Interrupt-drive I/O Cycle（ 中断驱动的 I/O循环）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.6Applied Operating System Concepts
Direct Memory Access（ 直接内存存取）
Used to avoid programmed I/O for large data movement
（ 用来避免编程 I/O来传输大量的数据）
Requires DMA controller（ 需要 DMA控制器）
Bypasses CPU to transfer data directly between I/O device
and memory （ 绕过 CPU来在 I/O设备和内存之间直接传输数据）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.7Applied Operating System Concepts
Six step process to perform DMA transfer
(通过六步来完成 DMA传输 )
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.8Applied Operating System Concepts
Application I/O Interface（ 应用程序 I/O接口）
I/O system calls encapsulate device behaviors in generic
classes
（ I/O子系统设备行为精简成几个常用的类别）
Device-driver layer hides differences among I/O controllers
from kernel（ 设备驱动层对核心隐藏了 I/O控制器的不同细节）
Devices vary in many dimensions（ 设备变化范围非常大）
– Character-stream or block（ 字符流或者块设备）
– Sequential or random-access（ 顺序或随机设备）
– Sharable or dedicated（ 共享或独占设备）
– Speed of operation（ 操作速度的不同）
– read-write,read only,or write only（ 读写，只读，只写）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.9Applied Operating System Concepts
Block and Character Devices（ 块或字符设备）
Block devices include disk drives（ 块设备包括磁盘）
– Commands include read,write,seek
（ 命令包括读，写，搜寻）
– Raw I/O or file-system access
（ 原始的 I/O或文件系统存取）
– Memory-mapped file access possible
（ 存储器映射文件访问的可能性）
Character devices include keyboards,mice,serial ports
（ 字符设备包括键盘，鼠标和串口设备）
– Commands include get,put（ 命令有 get,put)
– Libraries layered on top allow line editing
（ 顶层的函数库允许行编辑）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.10Applied Operating System Concepts
Network Devices（ 网络设备）
Varying enough from block and character to have own
interface
（ 从块设备和字符设备变化而来，有独自的接口）
Unix and Windows/NT include socket interface
（ Unix和 Windows/NT包括 socket接口）
– Separates network protocol from network operation
（ 分离网络协议于网络操作）
– Includes select functionality（ 包括 select功能）
Approaches vary widely (pipes,FIFOs,streams,queues,
mailboxes)（ 方式广泛：管道,FIFOs,流，队列，邮箱）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.11Applied Operating System Concepts
Clocks and Timers（ 时钟和记时器）
Provide current time,elapsed time,timer
（ 提供当前的时间，经过的时间，计时器）
if programmable interval time used for timings,periodic
interrupts（ 如果把可编程的时间间隔用于计时，那么定期中断）
ioctl (on UNIX) covers odd aspects of I/O such as clocks
and timers
（ 在 UNIX中,ioct1掩盖了 I/O设备（象时钟和计时器）之间区别）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.12Applied Operating System Concepts
Blocking and Nonblocking I/O
阻塞和非阻塞 I/O
Blocking - process suspended until I/O completed
（ 阻塞 —进程挂起直到 I/O完成）
– Easy to use and understand（ 容易使用和理解）
– Insufficient for some needs（ 在某些场合没有效率）
Nonblocking - I/O call returns as much as available
（ 非阻塞 —I/O调用返回一个代表是否成功的值）
– User interface,data copy (buffered I/O)
（用户界面，数据拷贝（对 I/O缓冲））
– Implemented via multi-threading（ 通过多线程来实现）
– Returns quickly with count of bytes read or written
（ 迅速的返回读写的字节数）
Asynchronous - process runs while I/O executes
（ 异步：在 I/O处理的时候进程同时运行）
– Difficult to use（ 难以使用）
– I/O subsystem signals process when I/O completed
（ 当 I/O操作完成的时候,I/O子系统向进程发信号）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.13Applied Operating System Concepts
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Scheduling（ 调度）
– Some I/O request ordering via per-device queue
（ 某些 I/O需要按设备队列的顺序）
– Some OSs try fairness（ 某些操作系统尝试着公平）
Buffering - store data in memory while transferring between
devices（ 缓冲 —当设备间传输数据的时候，暂时存放在内存中）
– To cope with device speed mismatch
（ 解决设备速度不匹配）
– To cope with device transfer size mismatch
（ 解决设备传输块的大小不匹配）
– To maintain,copy semantics”
（ 为了维持拷贝语句的语义要求）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.14Applied Operating System Concepts
Kernel I/O Subsystem（ 核心 I/O子系统）
Caching - fast memory holding copy of data
（ 高速缓存 —存放数据的快速存储器）
– Always just a copy（ 总是数据的拷贝）
– Key to performance（ 性能的关键）
Spooling - hold output for a device
（ spooling—保存设备的输出）
– If device can serve only one request at a time
（ 如果设备一次只能服务于一个请求）
– i.e.,Printing（ 比如，打印机）
Device reservation - provides exclusive access to a device
（ 设备预定 —提供对设备的独占访问）
– System calls for allocation and deallocation
（ 分配和再分配的系统调用）
– Watch out for deadlock（ 小心死锁）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.15Applied Operating System Concepts
Error Handling（ 错误处理）
OS can recover from disk read,device unavailable,transient
write failures
（ 操作系统可以恢复磁盘读，设备无效，暂时的失败）
Most return an error number or code when I/O request fails
（ 当 I/O失败时，大多数返回一个错误码 ）
System error logs hold problem reports
（ 系统日志记录了出错报告）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.16Applied Operating System Concepts
Kernel Data Structures（ 核心数据结构）
Kernel keeps state info for I/O components,including open
file tables,network connections,character device state
（ 核心保存着 I/O组件的状态，包括打开文件表，网络连接，字符设备状态）
Many,many complex data structures to track buffers,
memory allocation,“dirty” blocks
（ 许多的数据结构是为了记录缓冲，内存分配和“脏”块）
Some use object-oriented methods and message passing to
implement I/O（ 有些用面向对象的方法和消息机制来实现 I/O）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.17Applied Operating System Concepts
I/O Requests to Hardware Operations
I/O请求到硬件操作
Consider reading a file from disk for a process
（ 考虑一个进程从磁盘中读取一个文件）
– Determine device holding file （ 决定保存文件的设备）
– Translate name to device representation
（ 转换名字到设备使用的表示法）
– Physically read data from disk into buffer
（ 把数据从磁盘读到缓冲区中）
– Make data available to requesting process
（ 通知进程数据现在是有效的）
– Return control to process
（ 把控制权返回给进程）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.18Applied Operating System Concepts
Life Cycle of an I/O Request（ I/O请求的周期）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.19Applied Operating System Concepts
Performance（ 性能）
I/O a major factor in system performance
（ I/O是系统性能的主要因素）
– Demands CPU to execute device driver,kernel I/O code
（ 需要 CPU执行设备驱动，核心 I/O代码）
– Context switches due to interrupts
（ 因为中断而导致的上下文转换）
– Data copying（ 数据拷贝）
– Network traffic especially stressful（ 网络状况尤其重要）
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.20Applied Operating System Concepts
Intercomputer communications
Silberschatz,Galvin,and Gagne?199912.21Applied Operating System Concepts
Improving Performance（ 改进性能）
Reduce number of context switches（ 减少上下文转换）
Reduce data copying （ 减少数据的拷贝量）
Reduce interrupts by using large transfers,smart
controllers,polling
（ 通过使用一次大量数据传输，智能控制器和轮换来减少中断）
Use DMA（ 使用 DMA）
Balance CPU,memory,bus,and I/O performance for highest
throughput（ 平衡 CPU,内存，总线和 I/O性能以达到高吞吐率）
