计算机操作系统第七章

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1、*1本章主要目录n7.1 I/O系统的组成n7.2 I/O控制方式n7.3 缓冲管理n7.4 设备分配n7.5 设备处理n7.6 中断技术n总结 n作业n练习Date2设备管理是对计算机I/O设备的管理，是操作系统中最具有多样性和复杂性的部分。它负责管理和完成用户对外设的使用中所有硬件 相关和应用无关工作。 为用户使用外设提供方便服务和高效安全 管理。称I/O子系统。Date3其任务：(1)按照用户的要求控制I/O设备工作，完成用户所希望的I/O操作，以减轻用户编制程序的负担。这是设备管理的基本任务。 (2)按照一定的算法把I/O设备分配给对该设备提出请求的进程，保证系统有条不紊地工作。(3)

2、充分有效地使用I/O设备，尽可能提高这些设备的并行操作程度。Date4其功能：n 设备分配： 按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O设备分配给哪一个要求该设备的进程。在分配设备的同时还要分配相应的控制器和通道，以保证I/O设备与CPU之间有传递信息的通路。凡未分配到所需设备的进程被放入一个等待队列。实现这一功能 的是设备分配程序。Date5n设备控制 ： 完成这一功能的是设备处理程序。实现这一功能，设备处理程序首先根据用户提出的I/O请求构成相应的通道程序，交给通道去执行，然后启动指定的设备进行I/O操作，最后要对通道发来的中断请求作出及时响应和处理。Date6n实现其他功能： 包括对缓冲区

3、的管理功能，为改善系统的可适应性和可扩充性，使用户程序与实际使用的物理设备无关，即实现设备独立性。由设备无关性（独立性）软件实现。Date7与操作系统的其他功能一样，操作系统设备管理 功能的具体工作任务、内容、目标，取决于用户对外 设的使用要求同外设硬件提供的原始使用接口方式间 所存在的差距。取决于该差距中的硬件相关和应用无 关的内容。Date8I/O在计算机系统中具有重要地位：操作系统复杂和庞大的主要原因是所管理资源的庞杂和并发 技术的采用，而I/O速度正是导致并发技术产生的直接原因，I/O 设备庞杂也是操作系统所管理资源庞杂的主要原因； I/O性能是系统总体性能的重要决定因素、重要表现指标

4、和常 见瓶颈之一； I/O能力和特点是现代计算机系统分类的重要依据。Date9n操作系统设备管理功能的总体结构,分为两层： 设备无关层(独立层)和设备相关层(驱动层)进一步划分为：设备中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关 的操作系统软件和用户级软件(用户空间的I/O软件)Date10I/O系统的层次以及每一层的主要功能层次功能用户进程产生I/O请求，对I/O进行格式化，假 脱机与设备无关的软件命名，保护，分块，缓冲，分配设备驱动 程序设置设备寄存器，检查状态中断处理程序当I/O完成时唤醒驱动程序硬件执行I/O操作Date11I/O软件的设计目标和原则（）设备无关性，访问文件数据的程序，与具体

5、的物 理设备无关 （）出错处理：数据传输过程中出现的错误尽可能靠 近硬件的地方处理。 （）同步/异步传输：CPU并行工作，为异步。阻塞方 式，称为同步。 （）缓冲技术：Date127.1 I/O系统的组成n7.1.1 I/O系统的结构一、微型机I/O系统 二、主机I/O系统n7.1.2 I/O设备一、I/O设备的类型 二、设备与控制器之间的接口n7.1.3 设备控制器一、设备控制器的功能 二、设备控制器的组成n7.1.4 I/O通道一、通道设备的引入 二、通道类型三、“瓶颈”问题n7.1.5 总线系统Date137.1.1 I/O系统的结构一般分成两大类:微机I/O系统和主机I/O系统。一、微

6、型机I/O系统 PC连接小型和微型机I/O系统多采用单总线型I/O系统结构。CPU和内存是直接连接到总线上，I/O设备是通过设备控制器连接到总线上。Date14CPU不直接与I/O设备进行通信，而是与设备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。即设备控制器(device controller又叫适配器adapter)是CPU和设备之间的接口，根据设备的类型而配置相应的控制器，如：磁盘控制器、打印机控制器等。Date15CPU存储器磁盘 控制器打印机 控制器其它 控制器打印机磁盘驱动器系统总线总线型I/O系统结构Date16二、主机I/O系统 -通道连接IBM 370：大中型主机所配置的I/O

7、设备较多，特别是高速外设，若所有这些设备的控制器，都通过总线直接与CPU通信，则总线和CPU的负担过重。解决的方法是在I/O系统中不采用单总线结构，增加一级I/O通道，用以代替CPU与各设备控制器进行通信，实现对它们的控制。Date17计算机I/O通道2I/O通道1控制器控制器控制器控制器设备设备具有通道的I/O系统结构Date18每个外设一般包含机械和电子两部分，机械部分负责实 际的I/O操作，直接产生结果信息形式，是设备主体。电子 部分是通过电子技术实现与主机的连接。 操作系统管理的是电子部分。电子部分的任务： (1)端口地址译码 (2)将计算机的数字信号，转换为机械部分能识别的模拟信号

8、，或反之。A/D或D/A转换。 (3)实现设备内部硬件缓冲存储、数据加工、DMA等。Date19微型机和个人计算机中，把电子部分的一部分功能 分离出来形成单独的设备控制器，称为适配器或控制卡 。从而形成“CPU-控制器-设备”的关系模式，操作系统 更多地是与控制器打交道，而不直接与设备打交道。控 制器通过若干接口寄存器或接口缓冲区与CPU(或通道) 通信Date207.1.2 I/O设备一、I/O设备的类型按不同的角度进行划分：1、按数据传输速率分类（1）低速设备。其传输速率为每秒几个字节至数百个字节的。如：键盘，鼠标器、语音的输入和输出等设备。（2）中速设备。其传输速率为每秒数千字节至数十千

9、字节。如：行式打印机、激光打印机等。（3）高速设备。传输速率为数百字节至数兆字节。如：磁带机、磁盘机、光盘机等。Date212、按信息交换的单位分类（1）块设备（Block Device）。用于存储信息。信息的存取以数据块为单位。它属于有结构设备。如：磁盘，其基本特征是传输速率高，一般为每秒几兆位，另一特征是可寻址，即可随机地读/写任意一块，再一特征是磁盘设备的I/O系统采用DMA方式。还有：磁带。Date22（2）字符设备(Character Device)（unix）。用于数据的输入和输出。其基本单位 是字符，属于无结构设备。如：交互式终端(键盘、显示器)、打印机等。其基本特征：一、传输速

10、率低二、不可寻址，即不能指定输入时的源址及输出时的目标地址。三、字符设备在进行I/O时，采用中断驱动方式。Date233、按设备的共享属性分类（1）独占(享)设备。是指在一段时间内只允许一个用户或进程访问的设备，即为临界资源。并发进程要互斥地访问这类设备，系统一旦分配给某进程，便由该进程独占，直到用完释放。多数为低速设备，如：打印机Date24（2）共享设备。是指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。共享设备是可寻址的和可随机访问的设备。如：磁盘。（3）虚拟设备。是指通过虚拟技术将一占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户或进程同时使用，这种经虚拟技术处理后的设备，称为虚拟设备。Date25

11、4、按设备的从属关系分类系统设备，是指在OS生成时已经登记在系统中的标准设备。如键盘、显示器、打印机、文件存储设备等。用户设备，是指OS生成时未登记在系统的非标准设备。如：鼠标、绘图仪、扫描仪、网络系统中的各种网板、实时系统中的A/D、D/A变换器、图像处理系统的图像设备等。Date265、按操作特性分类存储设备，用来存放各种信息，如：磁盘、磁带、磁鼓、光盘等。I/O设备（输入型和输出型），是向CPU传输信息和输出经加工处理的信息，如：键盘、显示器、打印机、图形（图像）输入/输出设备、绘图机、网络通信板、音声输入/输出设备等。终端设备，通用终端（会话型、批处理型、智能终端）、专用终端、虚终端。

12、脱机设备Date27二、设备与控制器之间的接口一般，设备不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。所以，在设备与控制器之间应有一接口，接口中的信号有三种：（1）数据信号。输入时，由设备发送给设备控制器（至CPU），输出时，由设备控制器所接收的比特流（来自CPU）。(串行的位流，很低层次的接口，控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误校正工作，在控制器内部的一个缓冲区中按位组装，进行校验后，再复制到内存)Date28（2）控制信号。是设备控制器发送给设备的、用于规定设备执行读或写操作的信号或执行其它操作的信号。如：移动磁头的信号。（3）状态信号。用于指示设备的当前状态。 如

13、：指示设备正在读或写；指示设备已读或写完，并准备好新的数据传送。Date29缓冲 转换器控制逻辑I/O设备至设备控制器信号数据数据信号线状态信号线控制信号线设备与控制器间的接口Date307.1.3 设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并 去控制I/O设备工作，使CPU从设备控制事务解脱出来。它是一个可编址设备，当仅控制一个设备时，只有一个唯一的设备地址，若控制器连接了多个设备时，就具有多个设备地址，使每一个地址对应 一个设备。Date31分两类：一类是用于控制字符设备的控制器，另一是用于控制块设备的控制器。微型机中以印刷电路板形式插入计算机的扩展槽中

14、，又称为接口卡(或控制器卡)。Date32一、设备控制器的功能1、接收和识别命令设备控制器能接收并识别CPU所发出的命令，它具有相应的控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对所接收的命令进行译码。如：磁盘控制器可接收CPU发出的Read 、Write、Format等15条不同的命令，所以，磁盘控制器中有多个寄存器和命令译码器。Date332、数据交换实现CPU与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。前者，是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器，或从控制器中并行地读出数据，后者，是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。所以，控制器需设置数据寄存器(操作系统可对其进行读写)。D

15、ate343、设备状态的了解和报告控制器能记下设备的状态供CPU了解。如：仅当设备处于发送就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出数据。所以，要在控制器中设置一状态寄存器，用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后，便可了解该设备的状态。Date354、地址识别系统中的每一个设备都有一个地址，而设备控制器必须能够识别它所控 制的每个设备的地址。另外，为使CPU能向（或从）寄存器中写入（或读 出）数据，寄存器具有唯一的地址。如：PC机中规定，硬盘控制器中各寄存器的地址，分别为32032F之一 。控制器能正确识别这些地址，为此，在控制器配置地址译码器。Date365、

16、数据缓冲 6、差错控制对I/O设备传送来的数据进行差错检测。Date37二、设备控制器的组成1、设备控制器与CPU的接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。有三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线一般与如下两类寄存器连接：Date38（1）与数据寄存器连接。控制器可有多个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据（输入），或从CPU送来的数据（输出）。（2）与控制/状态寄存器连接。控制器中有多个这类寄存器，用于存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息。Date39Cpu如何与设备进行通信的n方法一：为的每个控制寄存器分配一个I/O端口号 (port,8位或16位的整数)，使用特殊的指令：IBM 370 、IBM PC机in reg,port;cpu读控制寄存器port的内容到cpu寄存器regout port,reg;cpu将reg的内容写入控制寄存器中。早期计 算机。Date40n方法二：将所有控制寄存器映射到内存空间中，每