個人操做系統複習——I/O控制和系統調用

　　上篇博客介紹了存儲器管理的相關知識——個人操做系統複習——存儲器管理，本篇講設備管理中的I/O控制方式和操做系統中的系統調用。

1、I/O控制方式

　　I/O就是輸入輸出，I/O設備指的是輸入輸出設備和存儲設備。I/O控制方式值得就是CPU對內存資源與I/O設備之間輸入輸出的控制。I/O的控制方式按照發展有下面幾種： 

（1）、程序I/O方式。

　　這個最原始的方式的特色是I/O過程當中，CPU全程阻塞。CPU向I/O控制器發送指令，要求讀取一個字節，IO控制器取一個字節，存入自身的數據寄存器中，存入完畢後通知CPU。而後CPU把這個字節存入內存。在這個過程當中，CPU的大部分時間都在等待操做完成。值得注意的是，這種控制方式必須以字節爲單位。

（2）、中斷驅動I/O控制方式。

　　這種控制方式的特色是I/O過程當中，CPU跟I/O控制器並行工做，無需阻塞。傳輸過程跟程序I/O方式沒區別。不過因爲CPU在I/O過程當中無需阻塞，效率比之程序I/O方式提升了百倍。

（3）、直接存儲器訪問I/O控制方式——DMA（Direct Memory Access）

　　這是一種很是有效率的I/O控制方式——數據傳輸的基本單位是數據塊；DMA控制器將數據直接送入內存；整個數據塊傳送開始和結束的一刻CPU纔會處理，其餘時候CPU與控制器並行工做。值得注意的是DMA控制方式是由DMA控制器實現的，DMA控制器有3部分——主機&控制器接口、控制器&塊設備接口和I/O控制邏輯。核心就是主機&控制器接口，這個接口是爲了完成主機和塊數據的直接交換。DMA控制器爲了實現功能有四類寄存器：命令/狀態寄存器(CR)，用來存放控制信息和狀態；內存地址寄存器(MAR)，存放目標地址；數據寄存器(DR)，至關於緩存，暫存數據；以及數據計數器(DC)，存放本次 CPU 要讀或寫的字(節)數。數據傳送的過程，簡單來講就是，傳送前在MAR中設置目標地址，在DC中設置數據塊大小，而後控制器每從磁盤取數據存入內存或從內存取數據存入磁盤，就把MAR中的目標地址加一，並把DC中數據塊大小減一，直到DC中數據塊大小爲0，數據便傳送完畢。能夠看到，DMA是由硬件實現數據塊移動的。

（4）、I/O通道控制方式

　　這種控制方式是對DMA方式的改進，把一個數據塊的傳輸改進爲一組數據塊的傳輸。通道指的是這整個傳輸的虛擬含義。I/O通道控制方式是由通道程序和設備控制器共同實現的。能夠說，它比DMA方式改進的地方在於用程序增長了對DMA方式的控制，使多個數據塊的傳輸可以合爲一個總體。

 　　《計算機操做系統》上這一幅流程圖直接拿來用了：

 

 2、系統調用

 　　什麼是系統調用？系統調用說白了就是操做系統提供的接口，用以與系統通訊，取得系統服務。應用程序須要經過系統調用才能訪問操做系統的關鍵資源。首先來了解一下計算機的兩種狀態。

（1）、計算機的兩種狀態——系統態和用戶態

　　系統態和用戶態，其本質就是CPU的兩種狀態。

　　1）系統態，又稱管態或核心態。處理機運行操做系統的狀態。

　　2）用戶態，又稱目態。處理機運行應用程序的狀態。

　　應用程序須要調用系統功能時，經過系統調用，CPU轉爲系統態，取得系統資源，執行系統功能。對應CPU的系統態和用戶態，CPU所執行的指令分爲特權指令和非特權指令。

（2）CPU執行的兩種指令——特權指令和非特權指令。

　　1）特權指令

　　即CPU在系統態所執行的指令。這種指令只容許系統態的CPU運行，即只容許操做系統調用。特權指令能夠對操做系統執行能執行的全部操做，不受任何限制。

　　2）非特權指令

　　即CPU在用戶態所執行的指令。這種指令只能執行通常性的操做任務，不能直接進行訪問系統中的硬件和軟件，其對內存的訪問範圍也侷限於用戶空間。應用程序想要訪問系統中的硬件和軟件，只能經過系統調用間接進行。

（3）系統調用的實現

　　那麼系統調用是怎麼實現的呢？系統調用是經過中斷機制實現的，而且是同一個中斷入口來實現。具體操做就是系統調用的時候，CPU轉換爲系統態，請求系統服務，處理完畢後繼續執行應用程序。這裏有幾個概念須要瞭解一下：

　　1）中斷的本質：百度百科解釋的很好：「CPU執行完每條指令時，都會去檢查一箇中斷標誌位」，這句話是全部關於中斷長篇大論的開場白，但很容易被人忽略，其實，這就是中斷的本質。

　　2）內中斷（陷入、捕獲）：因爲系統調用引發的中斷

　　3）陷入指令：因爲系統調用引發中斷的指令稱爲陷入指令。

　　4）中斷標識碼（中斷類型號）：由硬件（一般是中斷控制器）產生，以標識不一樣的中斷源。

　　5）中斷向量：中斷服務程序的入口地址。在某些計算機中，中斷向量的位置存放一條跳轉到中斷服務程序入口地址的跳轉指令。

　　6）中斷向量地址：存儲中斷向量的存儲單元地址

 

 

 

 參考：《計算機操做系統(湯子瀛)》、百度