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1、第6章 输入输出系统I/O系统管理I/O设备和相应的设备控制器，是操作系统中最为繁杂，并且与硬件最为紧密相关的部分。设备管理的基本任务设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及提高I/O设备的利用率。第6章 输入输出系统6.1 I/O系统6.2 I/O控制方式6.3 缓冲管理6.4 I/O软件6.5 设备分配6.6 磁盘存储器的性能和调度6.1 I/O 系统你知道哪些I/O设备？你知道什么是I/O控制器吗？是处于是处于CPUCPU与与I/OI/O设备之间的接口，接收和识设备之间的接口，接收和识别别CPUCPU发来的命令，实现数据交换、了解设发来的命令，实现数据交换、了解设
2、备状态以及识别设备地址，控制备状态以及识别设备地址，控制I/OI/O设备工设备工作，是一个可编址设备。作，是一个可编址设备。 6.1 I/O 系统1 I/O设备的类型2 设备控制器的组成3 I/O系统结构6.1 I/O 系统2. 2. 设备控制器的组成设备控制器的组成(1)(1)设备控制器与处理机的接口设备控制器与处理机的接口(2)(2)设备控制器与设备接口设备控制器与设备接口(3)I/O(3)I/O逻辑逻辑(4)(4)寄存器组：控制寄存器寄存器组：控制寄存器( (存放命令及参数存放命令及参数) )、数据、数据寄存器寄存器( (存放数据存放数据) )、状态寄存器、状态寄存器( (记录设备状态记
3、录设备状态) )6.1 I/O 系统CPU存储器存储器磁盘磁盘控制器控制器打印机打印机控制器控制器其它其它控制器控制器磁盘驱动器磁盘驱动器打印机打印机微型机微型机I/O系统结构系统结构-总线型总线型3. I/O3. I/O系统结构系统结构6.2 I/O 控制方式常用的输入常用的输入/ /输出控制方式：输出控制方式： 1. 1. 程序程序I/OI/O控制方式控制方式 2. 2. 中断驱动中断驱动I/OI/O控制方式控制方式 3. 3. 直接存储器访问（直接存储器访问（DMADMA）I/OI/O控制方式控制方式 4. 4. 通道控制方式通道控制方式 6.2 I/O 控制方式1 1 程序程序I/OI
4、/O控制方式：控制方式：处理机对I/O的控制采用程序直接控制方式 。 执行下一条指令否是向I/O控制器发读命令读I/O控制器状态设备是否“准备就绪”从I/O控制器读一个字向存储器写一个字传送完成是否特点特点：控制简单，但CPU的利用率低。CPU忙等待-即轮询（轮询（Polling）问题。6.2 I/O 控制方式2 2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式：方式：1) 进程向CPU发出读指令。2) 该进程放弃CPU，进入等待状态。3) 输入完成后，I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU收到后，转向中断服务程序。中断服务程序将数据送指定内存单元，并将原进程唤醒，进入就绪状态。4)当该进程再次被调度时
5、，从内存单元取出数据进行处理。执行下一条指令就绪向I/O控制器发读命令读I/O控制器状态检查设备状态从I/O控制器读一个字向存储器写一个字传送完成是否CPU去做其他事情，直到有中断信号来。6.2 I/O 控制方式2 2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式：方式： 优点优点:CPU:CPU利用率大大提高。利用率大大提高。缺点缺点: :仍以字（或字节）为单位传送数据，若数据较大，仍以字（或字节）为单位传送数据，若数据较大，中断次数较多将耗去大量中断次数较多将耗去大量CPUCPU处理时间。处理时间。6.2 I/O 控制方式3 3 直接存储器访问直接存储器访问I/OI/O控制方式：控制方式：1）进程向C
6、PU发出I/O指令，CPU向DMA控制器写入数据存放的内存地址、传送的字节数，并置中断位和启动位，启动I/O设备输入数据并允许中断。2）该进程放弃处理机等待输入完成。3）块传送结束，DMA控制器挪用CPU周期，将一批数据写入指定内存地址。4）数据传送完成， DMA控制器向CPU发中断请求，CPU响应后转向中断服务程序，唤醒进程，并返回被中断程序。6.2 I/O 控制方式3 3 直接存储器访问直接存储器访问I/OI/O控制方式：控制方式：优点优点:CPU:CPU利用率进一步提高（并行度有所提高）。利用率进一步提高（并行度有所提高）。缺点缺点: :数据传送方向、字节数、内存地址等需由数据传送方向、
7、字节数、内存地址等需由CPUCPU控控制，且每一设备需一台制，且每一设备需一台DMADMA控制器，设备增多控制器，设备增多时，不经济。时，不经济。6.3 缓冲管理为了缓解为了缓解CPUCPU与与I/OI/O设备速度不匹配的矛盾，提高设备速度不匹配的矛盾，提高CPUCPU和和I/OI/O设备的并行性而采取的一种技术。设备的并行性而采取的一种技术。引入缓冲的主要原因引入缓冲的主要原因 1 1）缓冲）缓冲CPUCPU与与I/OI/O设备间速度不匹配的矛盾设备间速度不匹配的矛盾; ; 2 2）减少中断）减少中断CPUCPU的次数的次数; ; 3 3）提高）提高CPUCPU与与I/OI/O设备的并行性设
8、备的并行性. .6.3 缓冲管理缓冲技术的类型缓冲技术的类型单缓冲单缓冲双缓冲双缓冲循环缓冲循环缓冲缓冲池缓冲池6.4 I/O软件解决由于外部设备与解决由于外部设备与CPUCPU速度不匹配所引起的问题，速度不匹配所引起的问题，提高主机和外设的并行工作能力，提供系统效率，是提高主机和外设的并行工作能力，提供系统效率，是I/OI/O软件的重要目标。软件的重要目标。消除或者屏蔽设备硬件内部的低级处理过程，为用户消除或者屏蔽设备硬件内部的低级处理过程，为用户提供简便、易用、抽象的逻辑设备接口，是提供简便、易用、抽象的逻辑设备接口，是I/OI/O软件软件设计的重要原则。设计的重要原则。6.4 I/O软件
9、1. 用户层软件：实现用户交互接口。2. 设备独立性软件：使应用程序独立于具体的物理设备。3. 设备驱动程序：与硬件直接相关，驱动设备工作。4. 中断处理程序：切换进程，检测中断信号源。用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件6.4 I/O软件2. 设备独立性软件逻辑设备（应用程序）物理设备（执行）逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址/dev/tty31024/dev/print52046逻辑设备表LUT(Logical Unit Table)逻辑设备名系统设备表指针/dev/tty3/dev/print56.4 I/O软件3. 设备驱动程序 1)将接收到的抽象要求转换为具体要求。
10、 2)检查用户I/O请求的合法性，I/O设备状态，传参数，设置设备的工作方式。 3)按处理机的I/O请求去启动指定的设备进行I/O操作, 及时响应由控制器发来的中断请求，并进行相应处理。6.5 设备分配1 设备分配中的数据结构2 设备分配的策略/应考虑的因素3 SPOOLING技术 6.5 设备分配1 设备分配中的数据结构设备控制表设备控制表DCT(device control table)DCT(device control table)系统设备表系统设备表SDT(system device table)SDT(system device table) 控制器控制表控制器控制表COCT(co
11、ntroller control table)COCT(controller control table)通道控制表通道控制表CHCTCHCT（channel control tablechannel control table）表目1表目i设备类型 设备标识符DCT指针驱动程序入口控制器标识符 控制器状态：忙/闲CHCT指针控制器等待队列指针通道标识符通道状态：忙/闲通道等待队列指针SDTCOCTCHDT设备类型 设备标识符设备状态：忙/闲COCT指针设备等待队列指针DCT1DCTiDCT6.5 设备分配2 设备分配的策略/应考虑的因素(1)设备的使用性质（独享、共享、虚拟） (2)设备分配
12、算法(3)设备分配的安全性（防止进程死锁）6.5 设备分配3 SPOOLING技 术 (Simultaneous Peripheral Operations On-Line) 在多道程序下，用一程序来模拟外围控制机，实现数据在多道程序下，用一程序来模拟外围控制机，实现数据在磁盘和低速的输出设备之间的传送，从而可在主机的在磁盘和低速的输出设备之间的传送，从而可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能，进而实现外围直接控制下，实现脱机输入、输出功能，进而实现外围操作与操作与CPUCPU对数据处理的并行操作对数据处理的并行操作, ,这种在联机情况下实这种在联机情况下实现的同时外围操作称为现的同时外围操作称为SPOOLINGSPOOLING技术，是对脱机输入、技术，是对脱机输入、输出工作的模拟，是操作系统中采用的一项将输出工作的模拟，是操作系统中采用的一项将独占设备独占设备改造成为共享设备的技术。改造成为共享设备的技术。
