C58221E14388B9DB9C33DC5901307461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数据传输

在I/O子系统当中

设备和CPU之间的数据传输性能

也是我们这里关注的一个重要的问题

CPU和设备之间的数据传输

有这样两种方式

第一种是程序控制I/O

也就是说CPU通过in/out指令

或者说load/ store指令

如果说后一种情况

你是做了内存映射的话

那它是通过load和store指令

来完成设备和CPU之间的数据交换

那这种方式由于需要CPU的参与

它的硬件实现相对简单

编程也是比较容易的

它的问题主要是在于消耗的CPU时间

和你要传输的数据量是成正比的

数据量越大

它的传输时间开销也就越大

这时候它适用于简单的小型的设备I/O

如果说你传送数据量大的话

这种方式对CPU的占用就是比较多的

第二种方式是DMA直接存储访问

它是让设备控制器

直接可以访问系统总线

然后设备控制器和内存之间

直接进行数据交换

这种方式呢它的特点是

CPU可以在数据传输的过程当中干别的

不受影响

当然它的开始和结束也需要CPU的参与

这时候它适用于高吞吐量的设备I/O

这是我们CPU和系统之间的

两种数据传输方式

我们在这儿

再用磁盘数据读取这个过程

来细化一下

看它的交流过程是什么样子的

首先我们看到

这是我们系统里的连线图

CPU通过系统总线

连到内存和DMA控制器

然后DMA控制器

通过PCI总线连到我的磁盘设备

我们在这里

一次磁盘读取过程是什么样的

CPU在执行用户代码的过程当中

会产生磁盘读取请求

这个请求转到设备驱动

在内核里执行

设备驱动需要我把磁盘上的

什么地方的数据

读到内存的什么地方去

这个设备请求就会转换成

对磁盘控制器的操作

这个操作导致

磁盘控制器开始读取数据

读取数据之后初始化DMA传送

然后把数据通过PCI总线

传到DMA控制器

然后DMA控制器

再把数据传到内存的指定区域

也就是我们这里这个X

完成传送之后

它产生一个中断请求

CPU响应这个中断请求

来判断我最后这个操作是否结束

最后呢回到应用程序里

这是通过DMA和中断的方式

来完成磁盘数据读取的这个过程

另外还有一个方向是说

设备如何通知CPU

如何通知操作系统

在这里操作系统需要知道设备的状态

完成时间

比如说遇到的错误之类的

然后在这儿有两种方式

一种是轮询一种是设备中断

我们在这里一个一个来讨论

轮询是指I/O设备上定义了

一组状态和控制寄存器

操作系统定期的检查这些状态寄存器

从而知道设备的状态

比如说我的数据是否发送完了

我的缓冲区是否还有空地儿

或者说我的缓冲区里是否有数据

这种做法相对来说它是简单的

但是如果你在这里操作频繁

多长时间会产生一次不可预测的话

那么这时候开销和延时都比较大的

在这里开销大是说

我需要频繁进行操作

延时大是因为我不知道

我什么时候能知道设备状态的改变

我只能在我查的时候才能知道

如果说设备状态改变之后

很长一段时间没有去查

这个延时就大了

所以这是第一种方式

第二种方式是设备中断

在这种方式里头

CPU布置好I/O操作之后

它就可以去忙活别的了

然后这时候I/O设备

进行相应的I/O请求处理

处理完之后产生中断

触发CPU 让CPU响应

CPU接收中断

然后执行相应的中断处理例程

这是它的一个交互过程

那么在这个交互过程当中

它是处理不可预知事件效果比较好

只要你一产生中断

CPU马上就能给出响应

原因在于CPU是在每两条指令执行期间

会去检查一次是否有中断请求

如果中断比较多

那这时候CPU被中断的频率就会比较高

这时候它的开销相对来说

和DMA方式传送数据的时候

它的开销也是大的

实际的做法是什么呢

会是在一些高速设备

会把两种办法结合起来

比如说在我们这里的高速网络设备

第一次的时候

它是采用中断方式来进行响应的

如果有数据包的接收

那这时候呢

CPU会响应中断来处理这条数据

由于输入输出数据比较多量比较大

那这时候第一次中断处理完

相应的数据之后它会再进行轮询

如果有数据马上就要处理

这样的话后面就变成轮询方式了

一直到没有的时候它才结束

下一次中间隔的时间比较长的时候

它再会转到中断方式

这是设备中断

下面我们具体来看一下

中断I/O的处理流程

首先是CPU在执行指令的过程当中

产生了I/O请求

这时候设备驱动会初始化这个I/O请求

当中的I/O控制器会初始化I/O操作

然后由设备进行相应的操作

操作完成或者出错

这时候它产生中断

CPU在完成I/O请求初始化之后

它就可以去干别的了

这时候它在每执行一条指令之后

它会检查中断请求

如果不做这个检查的话

那你这边有请求之后

它是不能做到及时响应的

正是由于CPU在设计上就已经做到了

用硬件来检查每一条指令执行期间

是否有中断请求如果有

它就不去进行下一条指令的执行

而转到中断的处理

那么这时候CPU接收到中断请求之后

在当前指令结束之后

它就可以来进行这个响应

所以你这个延时通常是

最长是一条指令的执行时间

那么收到这个请求之后

它分发给相应的中断服务例程

由相应的中断服务例程进行处理

这是它的处理

处理完毕之后

CPU恢复被中断的进程的执行

在这个执行的过程当中

又可能执行到某一个地方去

再产生新的I/O请求

这是基于设备中断的

I/O请求的处理过程

有了这些描述之后

I/O的数据传输的方式和流程

我们就说清楚了

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

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-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

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-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

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-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

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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

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-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

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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

--11.1 进程的概念

-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

--11.3 进程状态

-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

--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

--12.2 进程创建

-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

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-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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