操作系统基础：IO管理概述【上】
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- 1 I/O设备的基本概念与分类
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- 1.1 总览
- 1.2 什么是IO设备
- 1.3 IO设备的分类
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- 1.3.1 按使用特性
- 1.3.2 按传输速率
- 1.3.3 按信息交换的单位
- 1.4 总结
- 2 I/O软件基本层次结构
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- 2.1 基本架构
- 2.2 用户层软件
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- 2.2.1 主要的功能
- 2.2.2 例子
- 2.3 设备独立性软件
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- 2.3.1 解释
- 2.3.2 主要的功能
- 2.4 设备驱动程序
-
- 2.4.1 什么是驱动程序？
- 2.4.2 为什么要有驱动程序？
- 2.4.3 驱动程序的功能
- 2.4.4 注意
- 2.5 中断处理程序
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- 2.5.1 解释
- 2.5.2 处理流程
- 2.6 总结
- 3 输入输出应用接口与设备驱动接口
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- ️3.1 总览
- ️3.2 输入输出应用程序接口
-
- ️3.2.1 为什么要有应用程序接口？
- ️3.2.2 字符设备接口
- ️3.2.3 块设备接口
- ️3.2.4 网络设备接口
- ️3.3 阻塞与非阻塞I/O
-
- ️3.3.1 阻塞I/O
- ️3.3.2 非阻塞I/O
- ️3.4 设备驱动程序接口
-
- ️3.4.1 解释
- 4 总结
1 I/O设备的基本概念与分类
1.1 总览
1.2 什么是IO设备
注意：
UNIX系统将外部设备抽象为一种特殊的文件，用户可以使用文件操作相同的方式对外部设备进行操作
1.3 IO设备的分类
1.3.1 按使用特性
1.3.2 按传输速率
1.3.3 按信息交换的单位
1.4 总结
2 I/O软件基本层次结构
2.1 基本架构
2.2 用户层软件
2.2.1 主要的功能
（1） 实现了与用户交互的接口，用户可直接使用该层提供的、与I/O操作相关的库函数对设备进行操作。
（2）用户层软件将用户请求翻译成格式化的I/O请求，并通过“系统调用”请求操作系统内核的服务
2.2.2 例子
例如C语言中的"printf(“Hello\n”)"，printf就是方便用户使用的库函数，而它会被翻译成write系统调用。
对于一些需要参数的系统调用，用户在使用库函数时显然也应该填入相应的参数。
2.3 设备独立性软件
2.3.1 解释
这一层会向用户层提供系统调用的接口，所以有时候也被成为系统调用层。
2.3.2 主要的功能
（1）向上层（用户层）提供统一的调用接口
比如read、write系统调用
（2）设备的保护
原理类似于文件保护。设备被看做是一种特殊的文件（UNIX系统中），不同用户对各个文件的访问权限是不一样的，同理，对设备的访问权限也不一样。
（3）差错处理
设备可能会出错，因此设备独立性软件需要对一些设备的错误进行处理
（4）设备的分配与回收
设备属于一种临界资源，对临界资源的分配和回收是相当重要的。
（5）数据缓冲区管理
通过缓冲技术屏蔽设备之间数据交换单位大小和传输速度的差异
（6）建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系
①解释
②逻辑设备表的基本结构
③管理逻辑设备表的方法
根据设备类型选择调用相应的驱动程序
驱动程序的说明见下第四大点
2.4 设备驱动程序
2.4.1 什么是驱动程序？
简单来说，就是驱动计算机里软件的程序
2.4.2 为什么要有驱动程序？
不同设备的内部结构也不同，其内部硬件特性也不同。而这些特性、结构只有厂家才知道，因此厂家须提供与设备相对应的驱动程序，CPU执行驱动程序的指令序列，来完成设置设备寄存器，检查设备状态等工作，程序才可以正常运行。
2.4.3 驱动程序的功能
2.4.4 注意
驱动程序一般会以一个独立进程的方式存在。
2.5 中断处理程序
2.5.1 解释
2.5.2 处理流程
2.6 总结
3 输入输出应用接口与设备驱动接口
️3.1 总览
️3.2 输入输出应用程序接口
️3.2.1 为什么要有应用程序接口？
不同类型设备的I/O操作的细节是不同的，因此无法使用一个统一的接口对所有的设备进行调用。
我们之前已经学习过I/O软件的层次结构，设备独立软件层的任务之一就是给用户层提供标准的接口。
️3.2.2 字符设备接口
比如：键盘
️3.2.3 块设备接口
️3.2.4 网络设备接口
（1）解释
（2）主机之间通信过程描述
①主机1、主机2中的一个进程使用socket系统调用，创建一个网络套接字（可以理解为在内核区申请一片空间）。套接字会绑定主机的一个端口（bind系统调用）。
②发送方主机1中使用write系统调用向内存中写入一些数据。并将数据移入网卡进行发送，这个过程需要 “设备无关性软件” 调用 “网络控制器驱动程序”
③主机1在发送之前显然已经知道主机2的socket套接字绑定的端口（可以通过一些协议实现）。结合IP地址及端口，主机1的数据就可以精确发送到主机2中。
④主机2收到数据后通过网卡将其存在内存中，这个过程需要“中断处理程序”调用“网络控制器驱动程序”。进程使用read系统调用进行读取。
（3）示意图
️3.3 阻塞与非阻塞I/O
️3.3.1 阻塞I/O
应用程序发出I/O系统调用，进程需转为阻塞态等待。比如说：C语言中的scanf函数，只要键盘没有输入字符，那么程序就不会往下继续执行，也就是被阻塞了。
️3.3.2 非阻塞I/O
应用程序发出I/O系统调用，系统调用可迅速返回，进程无需阻塞等待。比如说：在块设备接口往磁盘写数据的过程中，只要块设备将数据复制到内核中去了，那么就可以交给内核执行，而自己就可以进行其他的工作。
️3.4 设备驱动程序接口
️3.4.1 解释
不同厂商生产的I/O设备的结构不同，其驱动程序也不同。可能相同的系统调用但是其参数又不一致。这样，设备独立层软件在享受驱动程序提供的服务时就会出现问题。
操作系统规定好设备驱动程序的接口标准，各厂商必须按要求开发设备驱动程序。
4 总结
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