816C80A0F5E3B8809C33DC5901307461慕课视频播放-操作系统-MOOC慕课视频教程-柠檬大学

下面我们来讨论I/O结构

在I/O结构当中呢

我们先从硬件的结构说起

在我们计算机系统当中

我们的CPU为了跟外界相连

实际上在我们的主板上

它是分成了两段

一段是和高速的这些内存显卡

相连的部分

这时候它的速度通常是若干个G

连的是内存显卡

然后还有一个部分是南桥

它负责跟我们这里的

各种各样的设备相连

比如说像这里的PCI总线

然后你的磁盘

网络都是通过这底下连的

在我们的基本原理里是说

CPU通过总线来连内存和I/O设备

那到这个地方

我们就细化成北桥连高速设备

南桥连I/O设备

这时候在这种结构下我们还需要

进一步来细化CPU到底

如何来识别每一个设备

它们的连接关系是什么样子的

在这儿呢

首先我们在这里头是CPU和I/O设备

设备上面呢有设备控制器

设备控制器的功能

是提供CPU和设备之间的接口

那在这里头就是总线接口

然后有相应的一组寄存器

可以进行数据的交互和

状态和控制的交互

也可以把它映射到内存当中

给一段内存区域

然后对于这段内存区域的访问

对应过来就是我们的I/O设备的访问

这就是我们这里说到的I/O地址

I/O地址通过总线连到我们的CPU上

总线和实际设备之间有总线适配器

在这里头我们映射过来

可能是内存地址

也可能是I/O空间的端口

那我们可以对I/O端口

有相应的I/O指令

如果是内存

那我们直接是访问存储

就对应着对I/O设备的访问

这是从CPU到设备

反过来还有一个从设备到CPU的通道

这就是我们的中断控制器

设备产生中断之后

在中断控制器进行汇总然后送给CPU

CPU就能对外部设备的事件做出响应

这就是我们在这里CPU和设备之间的

通讯的三种方式

轮询那就不用中断控制器

CPU直接访问I/O端口

或者说访问设备所对应的内存地址空间

我也可以采用中断方式

那就是外部设备有事件要通知CPU

就要通过中断到CPU

如果说在这里头

还有一种方式是说

我外部设备需要把数据

直接放到内存当中

你可以通过CPU读然后放到内存

在DMA控制器的控制下

把数据从I/O设备直接到内存单元

这是CPU和设备之间的连接关系

那下面我们进一步来讨论一下

I/O指令和内存映射I/O

I/O指令它是通过I/O端口

来访问设备寄存器

实际上也就是相当于我们通过端口号

来区别我访问的是哪个设备

以及于哪个设备上的哪一项功能

然后CPU上执行out in两个指令

来完成对端口的读写

这些读写不仅仅是数据的访问

也还对应着相应的设备控制

比如说我们有一些控制

就是直接对指定的端口发出写信号

那这个写信号来控制设备的操作

而写的内容有的时候反倒是不重要的

另一种呢是内存映射I/O

它是把设备的寄存器或者存储队列

或者说存储区域

映射到内存的物理地址空间

然后通过load /store

这种存储访问命令来实现I/O操作

在这地方呢

它的地址到底是在哪呢

实际上是在MMU来设置

或者说通过硬件的跳线

来完成相应地址的映射

有了这些讨论之后

那我们就可以给出

操作系统当中I/O子系统的结构

那我们从下往上来讨论

最底下是我们各种各样的设备

比如说存储的SCSI设备

和这边的ATAPI设备

然后还有其它的你比如说鼠标键盘

然后每一个设备之上

都对应着有一个设备控制器

那不同的设备它的控制器是不一样的

然后在这之上呢

对应着我们就是开始是软件

操作系统里第一层是设备驱动

每一个设备

每一类设备对应着有自己的驱动

在这上头呢是我们的I/O子系统

它用来处理各种设备共同的一些内容

比如说我们的I/O请求

转换成驱动的I/O请求

这是一种细化

然后我也会缓存

设备给出来的一些结果

你比如说我要访问某一个磁盘上的

某一个扇区的数据

那我前面已经做过一次操作了

I/O子系统负责缓存

并且你第二次来访问的时候

我直接给你结果

然后上边是我们内核的其它部分内容

文件系统那这些都是依赖于I/O子系统

来完成相应数据读写的

在这种结构下我们来看一个

完整的I/O请求的生命周期

跟我们刚才那张图呢

在这地方又有一些细化

这地方的驱动我把它分成两段

设备驱动和底下的中断处理例程

那我们来看一个用户

进行I/O请求它的过程

用户发出I/O请求这是时间顺序

到这个系统调用返回

我得到相应的数据

或者说我输出数据完成

操作系统里头的I/O子系统

它会做什么事呢

首先判断一下你要进行这个操作

是否有现成的结果

比如说你的磁盘数据的读操作

如果有那我在这儿呢

直接把我已经缓存的结果给应用

我这个操作就结束了

它实际上没有对实际的设备

进行任何的操作

如果说这个数据没有

它会给驱动发出I/O请求

那这时候我就要去读

指定的区域里的数据了

设备驱动再把这些I/O请求

转换成设备的控制命令

这个设备控制命令呢

直接给硬件进行控制硬件操作

那么这时候设备驱动处于等待状态

等这边处理结束之后

它会产生中断

中断回来我们的中断处理例程

会对它做出响应

这时候响应就是保存相应的结果

并且把结果通知上面的设备驱动层

设备驱动层负责来区分

返回的结果和哪个请求是相对应的

然后把这个结果

给到相应的I/O子系统当中

再把它送给用户的进程

整个一个I/O请求的

完整过程就实现了

这是我们说到的I/O结构

操作系统课程列表：

第零讲在线教学环境准备

-0.1 Piazza讨论区

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-0.2 在线实验平台

-0.2在线实验平台

第一讲操作系统概述

-1.1 课程概述

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-第一讲操作系统概述--练习

-1.2 教学安排

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-1.3 什么是操作系统

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-1.4 为什么学习操作系统，如何学习操作系统

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-1.5 操作系统实例

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-1.6 操作系统的演变

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-1.7 操作系统结构

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第二讲实验零操作系统实验环境准备

-2.1 前言和国内外现状

-2.2 OS实验目标

-2.3 8个OS实验概述

-2.4 实验环境搭建

-2.5 x86-32硬件介绍

-2.6 ucore部分编程技巧

-2.7 演示实验操作过程

--Q6

--Q7

--Q10

第三讲启动、中断、异常和系统调用

-3.1 BIOS

--3.1 BIOS

-3.2 系统启动流程

--3.2 系统启动流程

-3.3 中断、异常和系统调用比较

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-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.3 中断、异常和系统调用比较

-3.4 系统调用

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-第三讲启动、中断、异常和系统调用--3.4 系统调用

-3.5 系统调用示例

--3.5 系统调用示例

-3.6 ucore+系统调用代码

--3.6 ucore+系统调用代码

第四讲实验一 bootloader启动ucore os

-4.1 启动顺序

-4.2 C函数调用的实现

-4.3 GCC内联汇编

-4.4 x86中断处理过程

-4.5 练习一

-4.6 练习二

-4.7 练习三

-4.8 练习四练习五

-4.9 练习六

第五讲物理内存管理: 连续内存分配

-5.1 计算机体系结构和内存层次

-5.2 地址空间和地址生成

-5.3 连续内存分配

-5.4 碎片整理

-5.5 伙伴系统

-第五讲物理内存管理: 连续内存分配--5.6 练习

第六讲物理内存管理: 非连续内存分配

-6.1 非连续内存分配的需求背景

-6.2 段式存储管理

-6.3 页式存储管理

-6.4 页表概述

-6.5 快表和多级页表

-6.6 反置页表

-6.7 段页式存储管理

-第六讲物理内存管理: 非连续内存分配--6.8 练习

第七讲实验二物理内存管理

-7.1 了解x86保护模式中的特权级

--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-第七讲实验二物理内存管理--7.1 了解x86保护模式中的特权级

-7.2 了解特权级切换过程

--7.2 了解特权级切换过程

-第七讲实验二物理内存管理--7.2 了解特权级切换过程

-7.3 了解段/页表

--7.3 了解段/页表

-第七讲实验二物理内存管理--7.3 了解段/页表

-7.4 了解UCORE建立段/页表

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-第七讲实验二物理内存管理--7.4 了解UCORE建立段/页表

-7.5 演示lab2实验环节

--7.5 演示lab2实验环节

第八讲虚拟存储概念

-8.1 虚拟存储的需求背景

-8.2 覆盖和交换

-8.3 局部性原理

-8.4 虚拟存储概念

-8.5 虚拟页式存储

-8.6 缺页异常

第九讲页面置换算法

-9.1 页面置换算法的概念

--9.1 页面置换算法的概念

-9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

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-第九讲页面置换算法--9.2 最优算法、先进先出算法和最近最久未使用算法

-9.3 时钟置换算法和最不常用算法

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-第九讲页面置换算法--9.3 时钟置换算法和最不常用算法

-9.4 Belady现象和局部置换算法比较

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-9.5 工作集置换算法

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-第九讲页面置换算法--9.5 工作集置换算法

-9.6 缺页率置换算法

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-第九讲页面置换算法--9.6 缺页率置换算法

-9.7 抖动和负载控制

--9.7 抖动和负载控制

第十讲实验三虚拟内存管理

-10.1 实验目标：虚存管理

--10.1 实验目标：虚存管理

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.1 实验目标：虚存管理

-10.2 回顾历史和了解当下

-- 10.2 回顾历史和了解当下

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.2 回顾历史和了解当下

-10.3 处理流程、关键数据结构和功能

--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.3 处理流程、关键数据结构和功能

-10.4 页访问异常

--10.4 页访问异常

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.4 页访问异常

-10.5 页换入换出机制

--10.5 页换入换出机制

-第十讲实验三虚拟内存管理--10.5 页换入换出机制

第十一讲进程和线程

-11.1 进程的概念

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-第十一讲进程和线程--11.1 进程的概念

-11.2 进程控制块

--11.2 进程控制块

-第十一讲进程和线程--11.2 进程控制块

-11.3 进程状态

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-第十一讲进程和线程--11.3 进程状态

-11.4 三状态进程模型

--11.4 三状态进程模型

-11.5 挂起进程模型

--11.5 挂起进程模型

-第十一讲进程和线程--11.5 挂起进程模型

-11.6 线程的概念

--11.6 线程的概念

-第十一讲进程和线程--11.6 线程的概念

-11.7 用户线程

--11.7 用户线程

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-11.8 内核线程

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第十二讲进程控制

-12.1 进程切换

--12.1 进程切换

-第十二讲进程控制--12.1 进程切换

-12.2 进程创建

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-第十二讲进程控制--12.2 进程创建

-12.3 进程加载

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-第十二讲进程控制--12.3 进程加载

-12.4 进程等待与退出

--12.4 进程等待与退出

-第十二讲进程控制--12.4 进程等待与退出

第十三讲实验四内核线程管理

-13.1 总体介绍

-13.2 关键数据结构

-13.3 执行流程

-13.4 实际操作

第十四讲实验五用户进程管理

-14.1 总体介绍

--14.1 总体介绍

-14.2 进程的内存布局

--14.2 进程的内存布局

-14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

--14.3 执行ELF格式的二进制代码-do_execve的实现

-14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

--14.4 执行ELF格式的二进制代码-load_icode的实现

-14.5 进程复制

--14.5 进程复制

-14.6 内存管理的copy-on-write机制

--14.6 内存管理的copy-on-write机制

第十五讲处理机调度

-15.1 处理机调度概念

--15.1 处理机调度概念

-第十五讲处理机调度--15.1 处理机调度概念

-15.2 调度准则

--15.2 调度准则

-15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-第十五讲处理机调度--15.3 先来先服务、短进程优先和最高响应比优先调度算法

-15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和ucore调度框架

-第十五讲处理机调度--15.4 时间片轮转、多级反馈队列、公平共享调度算法和uc

-15.5 实时调度和多处理器调度

--15.5 实时调度和多处理器调度

-第十五讲处理机调度--15.5 实时调度和多处理器调度

-15.6 优先级反置

--15.6 优先级反置

-第十五讲处理机调度--15.6 优先级反置

第十六讲实验六调度器

-16.1 总体介绍和调度过程

-16.2 调度算法支撑框架

-16.3 时间片轮转调度算法

-16.4 Stride调度算法

第十七讲同步互斥

-17.1 背景

--17.1 背景

-17.2 现实生活中的同步问题

--17.2 现实生活中的同步问题

-第十七讲同步互斥--17.2 现实生活中的同步问题

-17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-第十七讲同步互斥--17.3 临界区和禁用硬件中断同步方法

-17.4 基于软件的同步方法

--17.4 基于软件的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.4 基于软件的同步方法

-17.5 高级抽象的同步方法

--17.5 高级抽象的同步方法

-第十七讲同步互斥--17.5 高级抽象的同步方法

第十八讲信号量与管程

-18.1 信号量

--18.1 信号量

-第十八讲信号量与管程--18.1 信号量

-18.2 信号量使用

--18.2 信号量使用

-第十八讲信号量与管程--18.2 信号量使用

-18.3 管程

--18.3 管程

-第十八讲信号量与管程--18.3 管程

-18.4 哲学家就餐问题

--18.4 哲学家就餐问题

-18.5 读者-写者问题

--18.5 读者-写者问题

第十九讲实验七同步互斥

-19.1 总体介绍

--19.1 总体介绍

-19.2 底层支撑

--19.2 底层支撑

-第十九讲实验七同步互斥--19.2 底层支撑

-19.3 信号量设计实现

--19.3 信号量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.3 信号量设计实现

-19.4 管程和条件变量设计实现

--19.4 管程和条件变量设计实现

-第十九讲实验七同步互斥--19.4 管程和条件变量设计实现

-19.5 哲学家就餐问题

--19.5 哲学家就餐问题

第二十讲死锁和进程通信

-20.1 死锁概念

--20.1 死锁概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.1 死锁概念

-20.2 死锁处理方法

--20.2 死锁处理方法

-第二十讲死锁和进程通信--20.2 死锁处理方法

-20.3 银行家算法

--20.3 银行家算法

-第二十讲死锁和进程通信--20.3 银行家算法

-20.4 死锁检测

--20.4 死锁检测

-第二十讲死锁和进程通信--20.4 死锁检测

-20.5 进程通信概念

--20.5 进程通信概念

-第二十讲死锁和进程通信--20.5 进程通信概念

-20.6 信号和管道

--20.6 信号和管道

-第二十讲死锁和进程通信--20.6 信号和管道

-20.7 消息队列和共享内存

--20.7 消息队列和共享内存

-第二十讲死锁和进程通信--20.7 消息队列和共享内存

第二十一讲文件系统

-21.1 文件系统和文件

--21.1 文件系统和文件

-第二十一讲文件系统--21.1 文件系统和文件

-21.2 文件描述符

--21.2 文件描述符

-第二十一讲文件系统--21.2 文件描述符

-21.3 目录、文件别名和文件系统种类

--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-第二十一讲文件系统--21.3 目录、文件别名和文件系统种类

-21.4 虚拟文件系统

--21.4 虚拟文件系统

-第二十一讲文件系统--21.4 虚拟文件系统

-21.5 文件缓存和打开文件

--21.5 文件缓存和打开文件

-第二十一讲文件系统--21.5 文件缓存和打开文件

-21.6 文件分配

--21.6 文件分配

-第二十一讲文件系统--21.6 文件分配

-21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

-第二十一讲文件系统--21.7 空闲空间管理和冗余磁盘阵列RAID

第二十二讲实验八文件系统

-22.1 总体介绍

--22.1 总体介绍

-第二十二讲实验八文件系统--22.1 总体介绍

-22.2 ucore 文件系统架构

--22.2 ucore 文件系统架构

-第二十二讲实验八文件系统--22.2 ucore 文件系统架构

-22.3 Simple File System分析

--22.3 Simple File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.3 Simple File System分析

-22.4 Virtual File System分析

--22.4 Virtual File System分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.4 Virtual File System分

-22.5 I/O设备接口分析

--22.5 I/O设备接口分析

-第二十二讲实验八文件系统--22.5 I/O设备接口分析

-22.6 执行流程分析

--22.6 执行流程分析

第二十三讲 I/O子系统

-23.1 I/O特点

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-第二十三讲 I/O子系统--23.1 I/O特点

-23.2 I/O结构

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-第二十三讲 I/O子系统--23.2 I/O结构

-23.3 I/O数据传输

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-第二十三讲 I/O子系统--23.3 I/O数据传输

-23.4 磁盘调度

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-第二十三讲 I/O子系统--23.4 磁盘调度

-23.5 磁盘缓存

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-第二十三讲 I/O子系统--23.5 磁盘缓存

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