我的操作系统复习——I/O控制和系统调用

  上篇博客介绍了存储器管理的相关知识——我的操作系统复习——存储器管理,本篇讲设备管理中的I/O控制方式和操作系统中的系统调用。

一、I/O控制方式

  I/O就是输入输出,I/O设备指的是输入输出设备和存储设备。I/O控制方式值得就是CPU对内存资源与I/O设备之间输入输出的控制。I/O的控制方式按照发展有下面几种:

(1)、程序I/O方式。

  这个最原始的方式的特点是I/O过程中,CPU全程阻塞。CPU向I/O控制器发送指令,要求读取一个字节,IO控制器取一个字节,存入自身的数据寄存器中,存入完毕后通知CPU。然后CPU把这个字节存入内存。在这个过程中,CPU的大部分时间都在等待操作完成。值得注意的是,这种控制方式必须以字节为单位。

(2)、中断驱动I/O控制方式。

  这种控制方式的特点是I/O过程中,CPU跟I/O控制器并行工作,无需阻塞。传输过程跟程序I/O方式没区别。不过由于CPU在I/O过程中无需阻塞,效率比之程序I/O方式提高了百倍。

(3)、直接存储器访问I/O控制方式——DMA(Direct Memory Access)

  这是一种非常有效率的I/O控制方式——数据传输的基本单位是数据块;DMA控制器将数据直接送入内存;整个数据块传送开始和结束的一刻CPU才会处理,其他时候CPU与控制器并行工作。值得注意的是DMA控制方式是由DMA控制器实现的,DMA控制器有3部分——主机&控制器接口、控制器&块设备接口和I/O控制逻辑。核心就是主机&控制器接口,这个接口是为了完成主机和块数据的直接交换。DMA控制器为了实现功能有四类寄存器:命令/状态寄存器(CR),用来存放控制信息和状态;内存地址寄存器(MAR),存放目标地址;数据寄存器(DR),相当于缓存,暂存数据;以及数据计数器(DC),存放本次 CPU 要读或写的字(节)数。数据传送的过程,简单来说就是,传送前在MAR中设置目标地址,在DC中设置数据块大小,然后控制器每从磁盘取数据存入内存或从内存取数据存入磁盘,就把MAR中的目标地址加一,并把DC中数据块大小减一,直到DC中数据块大小为0,数据便传送完毕。可以看到,DMA是由硬件实现数据块移动的。

(4)、I/O通道控制方式

  这种控制方式是对DMA方式的改进,把一个数据块的传输改进为一组数据块的传输。通道指的是这整个传输的虚拟含义。I/O通道控制方式是由通道程序和设备控制器共同实现的。可以说,它比DMA方式改进的地方在于用程序增加了对DMA方式的控制,使多个数据块的传输能够合为一个整体。

  《计算机操作系统》上这一幅流程图直接拿来用了:

我的操作系统复习——I/O控制和系统调用

二、系统调用

  什么是系统调用?系统调用说白了就是操作系统提供的接口,用以与系统通信,取得系统服务。应用程序需要通过系统调用才能访问操作系统的关键资源。首先来了解一下计算机的两种状态。

(1)、计算机的两种状态——系统态和用户态

  系统态和用户态,其本质就是CPU的两种状态。

  1)系统态,又称管态或核心态。处理机运行操作系统的状态。

  2)用户态,又称目态。处理机运行应用程序的状态。

  应用程序需要调用系统功能时,通过系统调用,CPU转为系统态,取得系统资源,执行系统功能。对应CPU的系统态和用户态,CPU所执行的指令分为特权指令和非特权指令。

(2)CPU执行的两种指令——特权指令和非特权指令。

  1)特权指令

  即CPU在系统态所执行的指令。这种指令只允许系统态的CPU运行,即只允许操作系统调用。特权指令可以对操作系统执行能执行的所有操作,不受任何限制。

  2)非特权指令

  即CPU在用户态所执行的指令。这种指令只能执行一般性的操作任务,不能直接进行访问系统中的硬件和软件,其对内存的访问范围也局限于用户空间。应用程序想要访问系统中的硬件和软件,只能通过系统调用间接进行。

(3)系统调用的实现

  那么系统调用是怎么实现的呢?系统调用是通过中断机制实现的,并且是同一个中断入口来实现。具体操作就是系统调用的时候,CPU转换为系统态,请求系统服务,处理完毕后继续执行应用程序。这里有几个概念需要了解一下:

  1)中断的本质:百度百科解释的很好:“CPU执行完每条指令时,都会去检查一个中断标志位”,这句话是所有关于中断长篇大论的开场白,但很容易被人忽略,其实,这就是中断的本质。

  2)内中断(陷入、捕获):由于系统调用引起的中断

  3)陷入指令:由于系统调用引起中断的指令称为陷入指令。

  4)中断标识码(中断类型号):由硬件(通常是中断控制器)产生,以标识不同的中断源。

  5)中断向量:中断服务程序的入口地址。在某些计算机中,中断向量的位置存放一条跳转到中断服务程序入口地址的跳转指令。

  6)中断向量地址:存储中断向量的存储单元地址

参考:《计算机操作系统(汤子瀛)》、百度

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