操作系统13：中断处理程序和设备驱动程序

1、中断处理程序

（1）中断和陷入

（2）中断处理程序的处理过程

2、设驱动程序

（1）设备驱动程序的功能

（2）设备驱动程序的处理过程

（4）对 I/O 设备的控制方式

4.1 - 轮询的可编程 I/O 方式

4.2 - 中断的可编程 I/O 方式

4.3 - DMA 控制器

4.4 - I/O 通道

3、与设备无关的 I/O 软件

（1）物理设备名、逻辑设备名

（2）与设备无关软件的功能构成

（3）逻辑设备名到物理设备名映射的实现

4、用户层的 I/O 软件

（1）系统调用与库函数

1.1 - 什么是系统调用？

1.2 - 什么是库函数？

（2）假脱机(Spooling)系统

2.1 - 什么是假脱机技术？

2.2 - 假脱机系统的工作原理

2.3 - 假脱机系统的组成

2.4 - 使用守护进程(daemon)

1、中断处理程序

中断在操作系统中有着特殊重要的地位，它是多道程序得以实现的基础。没有中断，就不可能实现多道程序，因为进程之间的切换是通过中断来完成的。另一方面中断也是设备管理的基础，为了提高处理机的用率和实现 CPU与 I/O 备并行执行，也必需有中断的支持。中断处理程序是 I/O 系统中最低的一层，它是整个 I/O 系统的基础。//中断的重要性

（1）中断和陷入

中断：是指 CPU 对 I/O 设备发来的中断信号的一种响应。CPU 暂停正在执行的程序，保留 CPU 环境后，自动地转去执行该 I/O 设备的中断处理程序。执行完后，再回到断点，继续执行原来的程序。
陷入(trap)：由 CPU 内部事件所引起的中断，例如进程在运算中发生了上溢或下溢又如程序出错，如非法指令、地址越界，以及电源故障等。

中断和陷入的主要区别是信号的来源，即是来自CPU 外部，还是CPU内部。

（2）中断处理程序的处理过程

当一个进程请求 I/O 操作时，该进程将被挂起，直到 I/O 设备完成 I/O 操作后，设备控制器便向 CPU 发送一个中断请求，CPU 响应后便转向中断处理程序，中断处理程序执行相应的处理，处理完后解除相应进程的阻塞状态。

中断处理程序的处理过程可分成以下几个步骤：

测定是否有未响应的中断信号。
保护被中断进程的CPU环境。
转入相应的设备处理序。
中断处理。
恢复CPU的现场并退出中断。

//中断处理前需要保存被中断进程的CPU环境，跟上下文切换的思想一致

中断的处理流程：

2、设驱动程序

设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是 I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务是接收上层软件发来的抽象 I/O 要求，如 read 或 write 命令，再把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；反之，它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。//驱动程序的用途

由于驱动程序与硬件密切相关，故通常应为每一类设备配置一种驱动程序。例如，打印机和显示器需要不同的驱动程序。//驱动程序由设备供应商提供，系统提供统一接口，设备供应商去实现，从而在系统层屏蔽复杂性

（1）设备驱动程序的功能

接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命中的抽象要求转换为与设备相关的低层操作序列。
检查用户 I/O 请求的合法性，了解 I/O 设备的工作状态，传递与 I/O 备操作有关的参数，设置设备的工作方式。
发出 I/O 命令，如果设备空闲，便立即启动 I/O 设备，完成指定的 I/O 操作；如果设备忙碌，则将请求者的请求块挂在设备队列上等待。
及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

（2）设备驱动程序的处理过程

设备驱动程序的主要任务是启动指定设备，完成上层指定的 I/O工作。但在启动之前应先完成必要的准备工作，如检测设备状态是否为“忙”等。在完成所有的准备工作后，才向设备控制器发送一条启动命令。

以下是设备驱动程序的处理过程：

将抽象要求转换为具体要求。
对服务请求进行校验。检查该用户的 I/O 请求是不是该设备能够执行的。
检查设备的状态。检查 I/O 设备否处于接收就绪状态。如果是，启动其设备控制器，否则只能等待。
传送必要的参数。
启动 I/O 设备。

在多道程序系统中，驱动程序一旦发出 I/O 命令，启动了一个 I/O 操作后，驱动程序便把控制返回给 I/O 系统，把自己阻塞起来，直到中断到来时再被唤醒。具体的 I/O 操作是在设备控制器的控制下进行的，因此，在设备忙于传送数据时，处理机又可以去干其它的事情，实现了处理机与 I/O 设备的并行操作。//驱动程序 -> 阻塞和唤醒

（4）对 I/O 设备的控制方式

对设备的控制，早期是使用轮询的可编程 I/O 方式，后来发展为使用中断的可编程 I/O 方式。随着 DMA 控制器的出现，从以字节为单位，改为以数据块为单位进行转输，大大地改善了块设备的 I/O 性能。I/O 通道的出现，又使对 I/O 操作的组织和数据的传送都能独立进行，而无需 CPU 的干预。

在 I/O 控制方式的整个发展过程中，始终贯穿着这样一条宗旨：即尽量减少主机对 I/O 控制的干预，把主机从繁杂的 I/O 控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。

4.1 - 轮询的可编程 I/O 方式

处理机向控制器发出一条 I/O 指令，需要不断地循环测试 I/O 控制器的状态。//轮询

缺陷：CPU 的绝大部分时间都处于等待 I/O 设备完成数据 I/O 的循环测试中，造成对 CPU 的极大浪费。// 此方式下CPU中无中断机构

4.2 - 中断的可编程 I/O 方式

CPU 向 I/O 设备的设备控制器发出一条 I/O 命令，立即返回继续执行原来的任务。设备控制器根据命令的要求去控制指定 I/O 设备。例如输入时，一旦 I/O 数据准备完成，控制器便通过控制线向 CPU 发送中断信号，通知 CPU 获取数据。//CPU和I/O设备并行执行

该方式下，CPU 和 I/O 设备都处于忙碌状态，提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。

4.3 - DMA 控制器

中断驱动 I/O 是以字节为单位进行 I/O 的。每当完成一个字节的 I/O 时，控制器便要向 CPU 请求一次中断。也就是说，为了从磁盘中读出 1KB 的数据块，需要中断 CPU 1K 次。//使用直接存储器访问的原因

DMA（Direct Memory Access）方式的特点：

数据传输的基本单位是数据块。
所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反。
仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需 CPU 干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

4.4 - I/O 通道

在 DMA 方式下，CPU 每发出一条 I/O 指令，仅能去读写一个连续的数据块。当需要一次去读写多个数据块时，则必须由 CPU 分别发出多条 I/O 指令及进行多次中断处理才能完成。// I/O通道出现的背景

I/O 通道方式是 DMA 方式的发展，它可进一步减少 CPU 的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预，减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。同时，又可实现 CPU、通道和 I/O 设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。//读写单位由一个数据块转为一组数据块

// 控制方式的发展，总结起来就是：无中断 -> 有中断(字节) -> 数据块 -> 多个数据块

3、与设备无关的 I/O 软件

为了方便用户和提高 OS 的可适应性与可扩展性，在现代 OS 的 I/O 系统中，都无一例外地增加了与设备无关的 I/O 软件，以实现设备独立性，也称为设备无关性。//想想注册中心

其基本含义是：应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。为每个设备所配置的设备驱动程序是与硬件紧密相关的软件。为了实现设备独立性，必须再在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的 I/O 软件，或设备独立性软件。

（1）物理设备名、逻辑设备名

使用设备的物理名称，会使应用程序与系统中的物理设备直接相关。系统只能根据设备的物理名来分配，无法使用另外的相同设备(不同的物理设备名)，如果物理设备被更改，那么与旧设备名称直接相关的应用程序将再也无法运行，所以该方式非常不灵活。//与绑定固定IP地址的通信类似

逻辑设备名：逻辑设备是抽象的设备名，不指定具体某一台设备。使用逻辑设备名还可实现 I/O 重定向。所谓 I/O 重定向，是指用于 I/O 操作的设备可以更换(即重定向)，而不必改变应用程序。// I/O重定向的数据结构：逻辑设备表

逻辑设备名称和物理设备名称的概念，与存储器管理中的逻辑地址和物理地址的概念非常类似，在程序执行时，必须先将逻辑地址转换为物理地址。类似地，为实现从逻辑设备名称到物理设备名称的转换，在系统中需要配置一张逻辑设备表。

（2）与设备无关软件的功能构成

设备驱动程序的统一接口：抽象和具体实现进行分离。//多态
缓冲管理：缓和 CPU 和 I/O 设备之间的矛盾、提高 CPU 的利用率。
差错控制：网络重传、磁盘重传、坏块记录等
设备的分配与回收：为了避免进程对独占设备的争夺，独占设备必须由系统统一分配，进程使用设备时，必须先提出申请。
独立于设备的逻辑数据块：用来屏蔽不同设备的数据交换单位、读取和传输速率的差异。

（3）逻辑设备名到物理设备名映射的实现

为了实现与设备的无关性，当应用程序请求使用 I/O 设备时，应当用逻辑设备名。但系统只识别物理设备名，因此在系统中需要配置一张逻辑设备表，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。//思路：逻辑 -> 物理，都需要一个转换过程，通常都使用中间表来实现

逻辑设备表 LUT（Logical Unit Table）

逻辑设备表种包含如下三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址。

当进程用逻辑设备名请求分配 I/O 设备时，系统为它分配一台相应的物理设备。与此同时，在逻辑设备表上建立一个表目，填上应用程序中使用的逻辑设备名和系统分配的物理设备名，以及该设备驱动程序的入口地址。//在第一次使用时建立

当其他进程再利用该逻辑设备名请求 I/O 操作时，系统通过查找 LUT，便可找到该逻辑设备所对应的物理设备和该设备的驱动程序。//复用之前的信息

4、用户层的 I/O 软件

一般而言，大部分的 I/O 软件都放在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，其中包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的假脱机系统等。

（1）系统调用与库函数

1.1 - 什么是系统调用？

系统为保护设备的安全性，不允许运行在用户态的进程直接调用运行在核心态的 OS 过程，而是在用户层中引入了一个中介过程一一系统调用，应用程序可以通过它间接的调用 OS 中的 I/O 过程，对 I/O 设备进行操作。

事实上，由 OS 向用户提供的所有功能，用户进程都必须通过系统调用来获取。系统调用是应用程序取得 OS 所有服务的唯一途径。

1.2 - 什么是库函数？

内核和库函数之间的关系：内核提供了 OS 的基本能，而库函数扩展了 OS 内核，使用户能方便取得操作系统的服务。// 库函数是开放给用户使用的 API，通过 API 可以直接访问 OS 内核

在许多现代 OS 中，系统调用本身已经采用 C 语言编写，并以函数形式提供，所以在使用 C 语言编写的用户程序中，可以直接使用这些系统调用。//早期都使用汇编语言

（2）假脱机(Spooling)系统

通过多道程序技术可将一台物理 CPU 虚拟为多台逻辑 CPU，从而允许多个用户共享一台主机。//虚拟技术

通过假脱机技术，则可将一台物理 I/O 设备虚拟为多台逻辑 I/O 设备，这样也就允许多个用户共享一台物理 I/O 设备。//假脱机技术，一台物理机映射多台逻辑机

2.1 - 什么是假脱机技术？

当系统中引入了多道程序技术后，利用其中一道程序，模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速 I/O 设备上的数据传送到高速磁盘上。再用另一道程序模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现以前的脱机输入、输出功能。//同时启动多个进程对 I/O 设备进行操作

此时的外围操作与 CPU 对数据的处理同时进行，我们把这种技术称为假脱机技术。SPOOLing(Simultaneaus PeriphernalOperating OnLine)

2.2 - 假脱机系统的工作原理

假脱机技术是对脱机输入/输出系统的模拟，它建立在通道技术和多道程序技术的基础上。

2.3 - 假脱机系统的组成

输入井和输出井。这是在磁盘上开辟出来的两个存储区域。输入井模拟脱机输入时的磁盘，用于收容 I/O 设备输入的数据。输出井模拟脱机输出时的磁盘，用于收容用户程序的输出数据。输入/输出井中的数据一般以文件的形式组织管理，我们把这些文件称为井文件。一个文件仅存放一个进程的输入或输出数据，所有进程的数据输入或输出文件链接成为一个输入或输出队列。

输入缓冲区和输出缓冲区。这是在内存中开辟的两个缓冲区，用于缓和 CPU 和磁盘之间速度不匹配的矛盾。输入缓冲区用于暂存由输入设备传送的数据，之后再传送到输入井。输出缓冲区用于暂存从输出井传送的数据，之后再传送到输出设备。

输入进程和输出进程。输入进程用于模拟脱机输入时的外围控制机，将用户要求的数据从输入设备传送到输入缓冲区，再存放到输入井。当 CPU 需要输入设备时，直接从输入井读入内存。输出进程用于模拟脱机输出时的外围控制机，把用户要求输入的数据从内存传送并存放到输出井，待输出设备空闲时，再将输出井中的数据经过输出缓冲区输出至输出设备上。

井管理程序。用于控制作业与磁盘井之间信息的交换。当作业执行过程中向设备发出启动输入或输出操作请求时，由操作系统调用井管理程序，由其控制从输入井读取信息或将信息输出至输出井。