21 I/O软件层次结构

1 概述

I/O软件涉及的面非常广，往下与硬件有着密切的联系，往上又与用户直接交互，它与进程管理、存储器管理、文件管理等都存在着一定的联系。

I/O软件的总体设计原则是高效性和通用性，前者要确保I/O设备与CPU的并发性，以提高资源的利用率，后者则要求消除和屏蔽设备硬件内部低级处理过程，尽可能提供简单、清晰而统一的接口。

2 层次结构

为了使复杂的I/O软件具有清晰的结构，良好的可移植性和适应性，在I/O软件中普遍釆用了层次式结构，每一层都利用其下层提供的服务，完成输入/输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。

在层次式结构的I/O软件中，只要层次间的接口不变，对某一层次中的软件的修改都不会引起其下层或高层代码的变更，仅最底层才涉及硬件的具体特性。

I/O软件可以划分为图中的四个层次：

2.1 用户层I/O软件

实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。

大部分的I/O软件都在操作系统内部，但仍有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。用户层软件必须通过一组系统调用来获取操作系统服务。

SPOOLing系统以及在网络传输文件时常用的守护进程等，运行在内核之外，仍属于I/O系统。

2.2 设备独立性软件

用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命令、设备保护、以及设备分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。

设备独立性（设备无关性），使得应用程序独立于具体使用的物理设备。在应用程序中，使用逻辑设备名来请求使用某类设备；而在系统实际执行时，必须将逻辑设备名映射成物理设备名使用。

逻辑设备名的好处

• 增加设备分配的灵活性；
• 易于实现I/O重定向（用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序）。

主要功能

为了实现设备独立性，必须在驱动程序之上设置一层设备独立性软件。其主要功能可分为以下两个方面：

• 执行所有设备的公有操作。
  包括：对设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理；差错控制；提供独立于设备的大小统一的逻辑块，屏蔽设备之间信息交换单位大小和传输速率的差异。
• 向用户层（或文件层）提供统一接口。
  无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。例如，对各种设备的读/写操作，在应用程序中都统一使用read/write命令等。

实现

系统通过设置一张逻辑设备表(Logical Unit Table, LUT)，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。在系统中可釆取两种方式建立逻辑设备表：

• 在整个系统中只设置一张LUT。这样，所有进程的设备分配情况都记录在这张表中，故不允许有相同的逻辑设备名，主要适用于单用户系统中。
• 为每个用户设置一张LUT。当用户登录时，系统便为该用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT，并将该表放入进程的PCB中。

3 设备驱动程序

与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动 I/O设备工作的驱动程序。

通常，每一类设备配置一个设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，常以进程形式存在。

设备驱动程序向上层用户程序提供一组标准接口，设备具体的差别被设备驱动程序所封装，用于接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read和write命令，转换为具体要求后，发送给设备控制器，控制I/O设备工作；它也将由设备控制器发来的信号传送给上层软件。从而为I/O内核子系统隐藏设备控制器之间的差异。

4 中断处理程序

用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完并恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

中断处理层的主要任务有：进行进程上下文的切换，对处理中断信号源进行测试，读取设备状态和修改进程状态等。由于中断处理与硬件紧密相关，对用户而言，应尽量加以屏蔽，故应放在操作系统的底层，系统的其余部分尽可能少地与之发生联系。