第6章操作系统《输入、输出系统》习题

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1、第6章 输入输出系统 6.1 I/O系统的硬件结构 6.2 采用通道模型的I/O系统 6.3 I/O系统的软件组织 6.4 缓冲技术 6.5 磁盘的驱动调度 6.6 设备分配程序 6.7 Windows NT的I/O系统 6.8 小结 习题 第6章 输入输出系统 6.1.1 I/O设备类型 1. 按使用特性分类 计算机系统中的外部设备，按设备的使用特性，可分为存 储设备、输入/输出设备、终端设备以及脱机设备等，如图 6.1 所示。 6.1 I/O系统的硬件结构 第6章 输入输出系统 图 6.1 按使用特性对设备的分类 第6章 输入输出系统 2. 按所属关系分类 外部设备按其所属关系可分为系统设

2、备和用户设备。 (1) 系统设备。这是指在操作系统生成时已经登记在系统 中的标准设备，如打印机、磁盘等。时钟也是一个特殊的系统 设备，它的全部功能就是按事先定义的时间间隔发出中断。 (2) 用户设备。这是指在系统生成时未登记在系统中的非 标准设备。这类设备通常是由用户提供的，因此该类设备的处 理程序也应该由用户提供，并通过适当的手段把这类设备登记 在系统中，以便系统能对它实施统一管理。 第6章 输入输出系统 3. 按资源分配角度分类 从资源分配角度来看，外部设备又可分为独占设备、共享 设备和虚拟设备等三类。 (1) 独占设备。为了保证信息传输的连贯性，通常该类设 备一经分配给某个进程，在该进程

3、释放它之前，其他设备不能 使用。多数的低速I/O设备都属于独占设备。如打印机和纸带 读入机，只能为某一个进程所独占，而不允许几个进程同时使 用。 第6章 输入输出系统 (2) 共享设备。这是指允许若干个进程同时使用的设备。 实际上，几个进程可以同时交替地使用一台设备，如几个进程 交替地从一台磁盘机上读写数据。显然，共享的效果可获得较 高的设备利用率。 (3) 虚拟设备。通过假脱机(Spooling)技术把原来的独占设 备改造成可为若干个进程所共享的设备，以提高设备的利用率 ，这种设备即为虚拟设备。 第6章 输入输出系统 4. 按传输数据数量分类 外部设备按传输数据的数量，分为字符设备和块设备。

4、 (1) 字符设备。每次传输数据以字节为单位的设备称为字 符设备，如打印机、终端、键盘等低速设备。 (2) 块设备。以数据块为单位进行传输的设备称为块设备 ，如磁盘、磁带等高速外存储器等。 第6章 输入输出系统 6.1.2 I/O设备的物理特性 1. 磁盘 磁盘是一种直接存取存储设备。磁盘是将信息存储在涂有 一层铁磁物质的金属圆盘上的一种存储媒体。如果将若干个这 样的圆盘片组合在一起，便形成了一个盘组。只有一个盘片的 磁盘称为软盘，由多个盘片组成的磁盘称为硬盘。每个盘片有 上、下两个盘面，上、下两面都有若干个同心圆和一个读/写磁 头。在活动头磁盘中，每个盘面只有一个读/写磁头，让这些磁 头在盘

5、面上来回移动，而盘体则绕中心轴高速旋转。图 6.2 表 示一个盘组由若干圆盘组成，磁头在盘面上移动的情况。该盘 组由 10 个圆盘组成, 共 20 个盘面，而每个盘面上只有一个磁头 ,编号为 019，其中有一个磁头称为伺服磁头，用于控制定位 。 第6章 输入输出系统 图 6.2 磁盘物理结构概念图 第6章 输入输出系统 在磁盘执行读写操作时，整个盘组在不停地旋转，存取臂 带动磁头来回移动。存取臂移动到某一固定位置，对应的磁头 就在磁盘上画一个圆，这个圆称为磁道。各个存取臂如以相同 的长度沿水平方向移动，则相同半径的一些磁道组成一个圆柱 面，称为柱面。对于一个盘组，其柱面由外向里编号，即 0，

6、1，2，在每个柱面上，把磁头号作为磁道号，磁道从上向 下编号，即 0，1，2， 第6章 输入输出系统 所有实际的磁盘都组织成许多柱面，一个柱面上的磁道数 等于垂直放置的磁头数。一个磁道又可划分为许多扇区，每个 磁道上的扇区数，对于软盘是 8 至 32 个扇区，在某些硬盘上 可多达几百个扇区。通常每条磁道具有相同的扇区数，每个扇 区包含相同的字节数。软件使用的数据块通常由几个(一个、 两个或四个)连续的扇区组成，作为一个物理记录进行读写。 磁盘上一个物理块的物理地址由三部分组成：柱面号(CC)、磁 道号(HH)和物理记录号(R)。 第6章 输入输出系统 不难看出，物理上靠近磁盘外边沿的扇区比靠近

7、内边沿的 扇区要长一些。不过读写每个扇区的时间是一样的，显然，在 最里面的柱面上的数据密度要高一些。这种密度的不同意味着 要牺牲一些磁盘容量。有人尝试过设计一种当磁头处于外部磁 道时，旋转速度更快的软盘，这样外圈磁道就可以具有更多的 扇区，从而增加盘的容量。在现代大容量磁盘中，外圈磁道具 有的扇区数比内圈磁道要多，这就产生了IDE(Integrated Drive Electronics)驱动器。这种驱动器用内置的电子器件进行复杂的 处理，屏蔽了具体细节。对操作系统来说，它仍然呈现出简单 的结构，每条磁道具有相同的扇区。 表6-1给出了作为IBM-PC机标准存储介质的双面双密度软 盘和可用在奔

8、腾机上中等容量磁盘的技术参数。 第6章 输入输出系统 2. 时钟 时钟也是一种外部设备，它既不是一个块设备，也不是一 个字符设备。但时钟软件却可以以设备驱动程序的形式进行工 作。 在计算机系统中使用两种类型的时钟。一种是最简单的时 钟，它被连接到 110 V或 220 V的电力线上，以 50 Hz或 60 Hz 的频率在每个电压周期产生一次中断。另一种时钟如图 6.3 所 示。它由三个元件组成：晶振、计数器和保持寄存器。当把石 英晶体进行适当的切削并安装于一定压力之下时，它会产生非 常精确的周期信号。把这个信号送入计数器并使其递减，当计 数减至零时产生一个中断。 第6章 输入输出系统 图 6.

9、3 可编程时钟 第6章 输入输出系统 典型的可编程时钟有几种操作模式。在单触发模式(One- shot Mode)中，一个时钟启动时，它把保持寄存器的值拷贝到 计数器中，然后每当从晶振来一个脉冲，对计数器值减1；当 计数器值为零时，产生一次中断，并停止工作，直至再次被软 件启动。在方波模式(Square-wave Mode)中，每次计数器计数 至零并引起中断后，保持寄存器自动拷贝到计数器，整个过程 不断重复进行。这些周期性的中断称为时钟滴答(Clock Tick) 。 可编程时钟的优点是它的中断频率可由软件控制。如果使用振 荡频率为1 MHz的晶体，那么计数器每一微秒接收到一个脉冲 ，对于16

10、位的寄存器，中断可编程为按 1 s至 65 536 s的间 隔发生。 第6章 输入输出系统 时钟硬件所做的工作仅仅是按给定的时间间隔产生中断， 其它和时间有关的工作必须由软件(时钟驱动程序)来做。时钟 软件的任务包括： 维护日期和时间； 防止进程运行时间超过允许界限； 对CPU使用进行记帐； 处理用户进程提出的时间闹钟系统调用； 对系统某些部分提供监视定时器； 支持直方图监视和统计信息搜集。 第6章 输入输出系统 3. 终端 每台计算机都有一个或多个终端。终端的种类、型号较多 ，需要终端驱动程序屏蔽其细节。 根据操作系统如何与终端通信，将终端分为三类：存储映 像终端、RS-232串行接口和网络

11、接口终端。 (1) 存储映像终端。其包括键盘和显示器，二者直接与计 算机相连。存储映像终端使用称为视频RAM(Video RAM)的特 殊存储器。视频RAM是计算机地址空间的一部分，使用与其 它地址空间一样的方式对它进行访问。 第6章 输入输出系统 视频存储卡上有一个芯片称为视频控制器(Video Controller)。这个芯片从视频RAM中取出字符，产生用于驱动 显示器(监视器)的视频信号，如图 6.4 所示。监视器产生水平 扫描屏幕的电子束。典型的屏幕有 480 至 1024 行，每行 640 至 1200 点。这些点称为像素(Pixel)。视频控制器调节电子束 ，决定一个像素是亮的还是

12、黑的。彩色监视器有三个电子束， 分别对应红色、绿色和蓝色。 第6章 输入输出系统 图 6.4 存储映像终端直接写入视频RAM 第6章 输入输出系统 一个简单的单色显示器可显示 25 行，每行 80 个字符。每 个字符的宽度为 9 个像素，高度为 14 个像素(包括字符间的空 白)。这种显示器有 350 行扫描线，每行扫描线有 720 个点，每 帧每秒重画 45 至 70 次。视频控制器被设计成首先从视频RAM 中取出 80 个字符，产生 14 行扫描线，再取 80 个字符，再产生 14 行扫描线，这样一直工作下去。事实上，大多数视频控制器 显示每个字符的每行扫描线时，都取一次字符以便在控制器中

13、 不需要缓冲。每个字符的 9 列宽 14 行高的位模保存在视频控制 器的视频ROM中(也可以使用RAM，以支持用户字体)。ROM按 12 位编址，8 位来自字符代码，4位指定扫描线。ROM中每个 字节的 8 位控制 8 个像素，字符间的第 9 个像素总是为空。因 此屏幕上的每行文本需 1480 次存储器访问，也需访问相同次 数的字符发生器。 第6章 输入输出系统 对于存储映像显示器，键盘是与显示器分开的，它可能通 过一个串行口或并行口和计算机相连。对于每一个键动作，产 生CPU中断，键盘中断程序通过读I/O口取得键入的 字符。 在IBM-PC中，键盘包括一个内嵌的微处理器，通过特殊 的串行口和

14、主板上的一个控制芯片通信。任何时刻击键或释放 键，都产生一个中断，而且键盘仅仅提供键码，而不是ASCII 码。当击A键时，键码(30)被存放于I/O寄存器。输入字符是大 写、小写、CTRL-A、ALT-A、CTRL-ALT-A，还是其它的组 合，则由驱动程序确定。因为驱动程序知道哪些键被按下还没 有释放，因此它有足够的信息完成这项工作。虽然键盘接口把 全部工作交给了软件，但这提供了很大的灵活性。 第6章 输入输出系统 (2) RS-232终端。其通过一次传输一位的串行口与计算机 通信，如图 6.5 所示。这些终端使用 9 针或 25 针的连接器。 其中一针为发送数据，一针为接收数据，一针接地，

15、 其它各 针可用于各种控制功能，实际上大多数并未使用。为了向RS- 232终端发一个字符，计算机必须一次传输一位，在字符前面 加一起始位，后接一个或两个终止位为字符定界。可在终止位 前插入一提供基本校验的奇偶位，但通常仅在与主机系统通信 时才需要这种技术。RS-232终端通常用于计算机远程通信， 两者之间使用调制解调器及电话线。 第6章 输入输出系统 图 6.5 RS-232终端与计算机通信 第6章 输入输出系统 计算机和终端在内部都是对整个字符进行操作的，但又必 须通过串行线路以一次传输一位的方式进行通信。为此开发了 一种芯片用来实现字符到串行口和串行口到字符的转换，称为 UART(通用异步收发器，Universal Asynchronous Receiver Transmitter)。UART通过把RS-232接口板插入总线和计算机相 连。RS-232终端正逐渐消失，而由PC和X终端代替，但它们仍 用于一些老的大型系统中。 第6章 输入输出系统 RS-232终端有多种形式，最简单的是硬拷贝终端，通过 键盘键入的字符传输到主机，主机传出的字符打印在纸上。这 些终端已经过时且很少见到。另一类的哑终端也按这种方式工 作，不同的是用屏幕代替了纸。因为在功能上和硬拷贝是一样 的，这些终端被称为玻璃终端。玻璃终端也已过时。 智能终端事实上是微缩专用计算机，其具有CPU、存储器