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1、输入输出系统结构第1页，共23页，编辑于2022年，星期三除除cpucpu及内存以外的所有设备和装置及内存以外的所有设备和装置(I/O(I/O设备，存储设备等设备，存储设备等)。一、一、设备设备：外外部部设设备备：打打印印机机、显显示示器器、光光盘盘、磁磁盘盘(硬硬、软软)、键键盘盘、磁磁带等带等存储设备存储设备：用来存放各种信息的设备称为存储设备，例如，：用来存放各种信息的设备称为存储设备，例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等；软盘、硬盘、光盘和磁带等；I/OI/O设备设备：用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等。鼠标、显示器、打
2、印机等。在现代计算机系统中有些设备既可以做存储设备，也可以做在现代计算机系统中有些设备既可以做存储设备，也可以做I/OI/O设备，例如，软盘、硬盘等。设备，例如，软盘、硬盘等。5.1 概述概述第2页，共23页，编辑于2022年，星期三1.按所属关系按所属关系系系统统设设备备 在在o.so.s生生成成时时已已登登记记于于系系统统中中的的标标准设备准设备用用户户设设备备 在在o.so.s生生成成时时未未已已登登记记于于系系统统中中的非标准设备的非标准设备二、二、设备的简单分类设备的简单分类第3页，共23页，编辑于2022年，星期三2.按资源分配角度：按资源分配角度：独占设备独占设备 ：一次只能分给
3、一个用户使用：一次只能分给一个用户使用共享设备共享设备 ：可供多个作业进程共享可供多个作业进程共享虚拟设备虚拟设备 ：使用使用spooling spooling 技术技术使使独独占占型型设设备备成成为为共共享享设设备备，从从而而提提高高了了设设备备利利用用率率和和系系统统的的效效率率，这这种种技技术术被被称称为为虚虚拟拟设设备备技技术术，实实现现这这一一技技术术的的硬硬件件和和软软件件系系统统被被称称为为SPOOLingSPOOLing，或或称称为为假假脱脱机机系系统统。第4页，共23页，编辑于2022年，星期三3.按基本信息单位分：按基本信息单位分：字字符符设设备备 处处理理信信息息以以单单
4、个个字字符符为为单单位位，慢慢(如：打印机如：打印机)块块设设备备 以以一一组组数数据据为为单单位位(512(512字字节节)，快快(如如：磁盘磁盘)第5页，共23页，编辑于2022年，星期三设备管理目的设备管理目的提高效率提高效率：提高：提高I/O访问效率，匹配访问效率，匹配CPU和多种不同和多种不同处理速度的外设处理速度的外设方便使用方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用用方法，协调对设备的并发使用方便控制方便控制：方便：方便OS内部对设备的控制：增加和删除内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型设备，适应
5、新的设备类型第6页，共23页，编辑于2022年，星期三设备管理的目标设备管理的目标提高各种外部设备的工作效率提高各种外部设备的工作效率向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面（设向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面（设备的独立性）备的独立性）对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法，设计对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法，设计一个简练、可靠、易于维护的设备管理系统。一个简练、可靠、易于维护的设备管理系统。第7页，共23页，编辑于2022年，星期三由由于于具具体体物物理理设设备备的的多多样样性性、复复杂杂性性，编编制制输输入入输输出出程程序序是是相相当当复复杂杂。由由操操作作系系统统来来负
6、负责责输输入入输输出出工工作作，使使系系统统形形成一种对成一种对“用户友好用户友好”的环境。的环境。方便性：方便性：向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面对不同设备都使用同一套界面。对不同设备都使用同一套界面。统一性：统一性：第8页，共23页，编辑于2022年，星期三由操作系统实现具体设备的物理由操作系统实现具体设备的物理I/oI/o操作，用户仅使用逻操作，用户仅使用逻辑设备名，这样用户仅与逻辑设备有关，而与具体的物理设备辑设备名，这样用户仅与逻辑设备有关，而与具体的物理设备无关无关设备独立性设备独立性。l一一个个程程序序应应该该与与给给定定设设备备类
7、类型型中中的的哪哪一一台台设设备备供供其其使使用无关。用无关。l要要求求用用户户程程序序尽尽可可能能地地与与设设备备类类型型无无关关。程程序序是是从从“虚虚拟拟设设备备”上进行操作。上进行操作。设备独立性：设备独立性：第9页，共23页，编辑于2022年，星期三为了提高设备利用率和系统效率，设备管理为了提高设备利用率和系统效率，设备管理的设计应能使的设计应能使各设备各设备的数据传输的数据传输与与CPUCPU并行运行并行运行，使使各设备充分地并行各设备充分地并行工作。工作。并行性：并行性：提高各种外部设备的工作效率提高各种外部设备的工作效率由由于于输输入入输输出出操操作作往往往往成成为为计计算算机
8、机系系统统中中的的“瓶瓶颈颈”部部分分，因因此此设设备备管管理理设设计计应应尽尽可可能能地地使使设设备备有有效效地地工工作作，考考虑虑各各设设备备忙闲的均衡性，避免忙闲不均现象。忙闲的均衡性，避免忙闲不均现象。有效性与均衡性：有效性与均衡性：第10页，共23页，编辑于2022年，星期三计算机外部设备种类繁多，特性各异。计算机外部设备种类繁多，特性各异。主要表现在：主要表现在：（1 1）速度）速度 （2 2）传输单位）传输单位 对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法（3 3）容许的操作）容许的操作（4 4）出错条件）出错条件第11页，共23页，编辑于2022
9、年，星期三设备管理的基本功能设备管理的基本功能记录系统中所有设备、控制器和通道的状态，以掌记录系统中所有设备、控制器和通道的状态，以掌握系统中的握系统中的I/O设备资源及其使用情况。设备资源及其使用情况。I/O交交通控制程序通控制程序按一定的算法在诸争用进程间调度和分配设备按一定的算法在诸争用进程间调度和分配设备 I/O调度程序调度程序完成实际的完成实际的I/O操作操作通道执行通道程序通道执行通道程序第12页，共23页，编辑于2022年，星期三I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过写通过CPU。在与外设传输数据时，首先查询外设的。在
10、与外设传输数据时，首先查询外设的状态，仅当外设准备好时，才在状态，仅当外设准备好时，才在CPU与外设间传输数与外设间传输数据。据。缺点缺点：CPU与外设是异步工作的，在外设进行数据与外设是异步工作的，在外设进行数据处理时，处理时，CPU只能等待。只能等待。5.3 输入输出系统结构输入输出系统结构 程序查询方式程序查询方式-I/O控制方式早期的设备控制方式采用。早期的设备控制方式采用。第13页，共23页，编辑于2022年，星期三CPU与外设并行操作，仅当外设准备好向与外设并行操作，仅当外设准备好向CPU传送数传送数据时，才向据时，才向CPU发中断请求，请求发中断请求，请求CPU为其服务。即为其服
11、务。即转入中断服务程序，进行转入中断服务程序，进行IO服务，在主机与外设间服务，在主机与外设间传送数据。传送数据。采用这种方式要求控制寄存器中有一个中断位。采用这种方式要求控制寄存器中有一个中断位。优点优点：在外设进行数据处理时，：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。行该程序或其他程序。缺点缺点：CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字每次处理的数据量少（通常不超过几个字节），只适于数据传输率较低的设备。节），只适于数据传输率较低的设备。程序中断方式程序中断方式第14页，共23页，编辑于2022年，星期三由程序由程序设置设置DMA控制器中的
12、若干寄存器值（如内存始址，传控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后送字节数），然后发起发起I/O操作，而后者操作，而后者完成完成内存与外设的成批内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由数据交换，在操作完成时由DMA控制器向控制器向CPU发出发出中断中断。以。以“窃取窃取”总线周期的方式，在存储器与外设间传送数据。总线周期的方式，在存储器与外设间传送数据。优点优点：CPU只需干预只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批数据读操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需写无需CPU控制，适于高速设备，控制，适于高速设备，常用于块设备传输系统中。常用于块设备传输系统中。缺点缺点：完
13、成简单的数据传输，不能满足复杂完成简单的数据传输，不能满足复杂I/O 直接存取访问方式直接存取访问方式(DMA,Direct Memory Access)(DMA,Direct Memory Access)(DMA,Direct Memory Access)(DMA,Direct Memory Access)第15页，共23页，编辑于2022年，星期三 通道传送方式通道传送方式(channel)在大、中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术在大、中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术CPUCPU与通道并行工作，由通道实现在存储器与外设与通道并行工作，由通道实现在存储器与外设间数据转换
14、与传送。间数据转换与传送。I/OI/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/OI/O指令的指令的能力，并通过执行通道（能力，并通过执行通道（I/OI/O）程序来控制）程序来控制I/OI/O操作。操作。通道只能执行与通道只能执行与I/OI/O操作有关的指令，其指令类型单一；操作有关的指令，其指令类型单一；通道没有自己的内存，即通道与通道没有自己的内存，即通道与CPUCPU共享内存。共享内存。第16页，共23页，编辑于2022年，星期三第17页，共23页，编辑于2022年，星期三现代计算机现代计算机I/O系统的结构：由通道、控制器和系统的结构：由通道、控制器和设备
15、三级组成设备三级组成I/O操作要经过三级控制操作要经过三级控制：第一级由：第一级由CPU执行执行I/O 指令，启动或停止通道，查询通道状态；第二级是指令，启动或停止通道，查询通道状态；第二级是在通道接收在通道接收CPU的通道命令字后，由通道执行为其的通道命令字后，由通道执行为其准备的通道程序，向控制器发命令；第三级由控制准备的通道程序，向控制器发命令；第三级由控制器根据通道发出的命令控制外设完成器根据通道发出的命令控制外设完成I/O 操作。操作。第18页，共23页，编辑于2022年，星期三由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外
16、设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。系统必须有一个合理的设备分配机制，并且要保的管理。系统必须有一个合理的设备分配机制，并且要保证系统的安全性，消除诸进程竞争资源而导致死锁的现象。证系统的安全性，消除诸进程竞争资源而导致死锁的现象。5.2 设备分配设备分配设备分配的原则是合理使用外设设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁公平和避免死锁)，提高，提高设备利用率。设备利用率。第19页，共23页，编辑于2022年，星期三 独占、共享和虚拟设备分配技术独占、共享和虚拟设备分配技术设备分配策略设备分配策略设备分类设备分类：独占设备：
17、打印机等；独占设备：打印机等；共享设备：磁盘、网卡等；共享设备：磁盘、网卡等；虚拟设备虚拟设备分配策略分配策略：独占方式：独占方式：设备利用率不高，不利于共享设备利用率不高，不利于共享共享方式：共享方式：虚拟方式：虚拟方式：提高系统和提高系统和I/O设备的利用率，减少进程在运行期设备的利用率，减少进程在运行期间等待间等待I/O操作的时间。操作的时间。第20页，共23页，编辑于2022年，星期三 设备分配算法设备分配算法先请求先服务：先请求先服务：按按I/O请求的先后顺序，排成请求的先后顺序，排成I/O请请求命令队列；按求命令队列；按FCFS分配设备；分配设备；优先权高者优先：优先权高者优先：依
18、据进程的优先级，指定依据进程的优先级，指定I/O请请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备。对优先权相同的进程，则按先高低分配设备。对优先权相同的进程，则按先请求先服务算法分配。请求先服务算法分配。设备分配中的安全性设备分配中的安全性多进程请求使用多进程请求使用I/O设备时，应进行安全性检查，以防止因相设备时，应进行安全性检查，以防止因相互等待对方进程释放其所占设备而导致死锁。互等待对方进程释放其所占设备而导致死锁。静态分配法静态分配法动态分配法动态分配法第21页，共23页，编辑于2022年，星期三 设备独立性（设备独立性（物理设备和逻辑设
19、备）物理设备和逻辑设备）逻辑设备：逻辑设备：用户程序中所涉及的该类物理设备特性的用户程序中所涉及的该类物理设备特性的抽象；抽象；目的：目的：实现用户程序与物理设备的无关性实现用户程序与物理设备的无关性 系统规定，在用户程序中不直接使用物理设备名，而使用逻系统规定，在用户程序中不直接使用物理设备名，而使用逻辑设备名。辑设备名。优点：优点：改善设备利用率，提高系统的可适应性和可改善设备利用率，提高系统的可适应性和可扩展性。扩展性。系统设置一张逻辑设备表系统设置一张逻辑设备表LUT,以实现逻辑设备到物理以实现逻辑设备到物理设备之间的映射。设备之间的映射。第22页，共23页，编辑于2022年，星期三本章的重要概念及相关要求本章的重要概念及相关要求了解设备管理的目标、基本功能；了解设备管理的目标、基本功能；通道工作方式：了解通道结构和连接方式通道工作方式：了解通道结构和连接方式（四级连接、三级控制）；（四级连接、三级控制）；设备分配：了解设备分配原则和策略。设备分配：了解设备分配原则和策略。第23页，共23页，编辑于2022年，星期三