第7章 输入出管理

1、第7章 设备管理 7.1 I/O7.1 I/O系统的硬件组成系统的硬件组成 7.2 I/O7.2 I/O系统的控制方式系统的控制方式 7.3 I/O7.3 I/O设备管理的功能设备管理的功能 7.4 7.4 设备分配技术设备分配技术 7.5 I/O7.5 I/O软件层次软件层次 7.6 7.6 磁盘调度和管理磁盘调度和管理 7.1 I/OI/O系统的硬件组成系统的硬件组成 7.1.1 I/O设备设备 1 1设备分类设备分类 n从设备的工作特性分类从设备的工作特性分类 n存储设备：存储设备：计算机用来存储信息的主要设备。计算机用来存储信息的主要设备。 n输入输入/ /输出设备输出设备 n从信息交

2、换单位分类从信息交换单位分类 n块设备：块设备：组织、处理及交换信息的基本单位是字组织、处理及交换信息的基本单位是字 符块。一般块的大小为符块。一般块的大小为512B512B8KB8KB。如磁盘、磁带等。如磁盘、磁带等。 n字符设备：字符设备：处理信息的基本单位是字符。如键盘、处理信息的基本单位是字符。如键盘、 打印机等。打印机等。 7.1.1 I/O设备设备 1设备分类设备分类 n从设备的共享属性分类从设备的共享属性分类 n独占设备：独占设备：在一段时间内只允许一个进程使用的设备。在一段时间内只允许一个进程使用的设备。 n共享设备：共享设备：在一段时间内可允许多个进程同时使用的在一段时间内可

3、允许多个进程同时使用的 设备设备 n虚拟设备：虚拟设备：是指通过虚拟技术将一台独占设备改造成是指通过虚拟技术将一台独占设备改造成 若干台逻辑设备，供若干用户进程同时使用。这种被若干台逻辑设备，供若干用户进程同时使用。这种被 处理后的独占设备称为虚拟设备。处理后的独占设备称为虚拟设备。 2设备标识设备标识 n设备绝对号（或绝对地址）：系统按某种原则为设备绝对号（或绝对地址）：系统按某种原则为 每台设备分配惟一的号码，用做硬件（设备控制每台设备分配惟一的号码，用做硬件（设备控制 器）区分和识别设备的代号。器）区分和识别设备的代号。 n操作系统为每类设备规定了一个编号，称做设备类型号。操作系统为每类

4、设备规定了一个编号，称做设备类型号。 如在如在UNIX系统中，设备类型号称做主设备号。系统中，设备类型号称做主设备号。 n设备相对号：是用户自己规定的所用同类设备中设备相对号：是用户自己规定的所用同类设备中 的第几台。的第几台。 7.1.1 I/O设备设备 7.1.2 设备控制器设备控制器 nI/O设备一般由机械和电子两部分组成。设备一般由机械和电子两部分组成。 n电子部分称做设备控制器或适配器电子部分称做设备控制器或适配器 n机械部分为设备本身机械部分为设备本身 n操作系统总是通过设备控制器实施对设备操作系统总是通过设备控制器实施对设备 的控制和操作。控制器是可编址的设备。的控制和操作。控制

5、器是可编址的设备。 7.1.2 设备控制器设备控制器 1控制器接口控制器接口 n设备控制器设备控制器有两个方向的接口：有两个方向的接口： n与主机之间的系统接口；与主机之间的系统接口； n是与设备驱动电路之间的低层次接口。是与设备驱动电路之间的低层次接口。 7.1.2 设备控制器 CPU 外 部 设 备 控控 制制 逻逻 辑辑 电电 路路 控制寄存器控制寄存器 状态寄存器状态寄存器 数据寄存器数据寄存器 设备控制器设备控制器 7.1.2 设备控制器设备控制器 2端口编址方法端口编址方法 n为了实现与为了实现与CPU通信，每个控制器都有几通信，每个控制器都有几 个寄存器。个寄存器。 n控制寄存器

6、控制寄存器 n状态寄存器状态寄存器 n数据寄存器数据寄存器 n除控制寄存器外，很多设备还有数据缓冲除控制寄存器外，很多设备还有数据缓冲 区。区。 7.1.2 设备控制器设备控制器 nCPU与控制寄存器和设备数据缓冲区的通与控制寄存器和设备数据缓冲区的通 信方式信方式 nI/O独立编址：独立编址：为每个控制寄存器分配一个为每个控制寄存器分配一个I/OI/O 端口号（端口号（8 8位或位或1616位整数），使用专门的位整数），使用专门的I/OI/O指指 令，令，CPUCPU可以读可以读/ /写控制寄存器。写控制寄存器。 n内存映像编址：内存映像编址：把所有控制寄存器映像到存储把所有控制寄存器映像到

7、存储 器空间。器空间。 n混合方式，既有存储器映像混合方式，既有存储器映像I/O数据缓冲器，数据缓冲器， 又采用单独的又采用单独的I/O端口。端口。 7.1.2 设备控制器 图7-2 内存和I/O的地址空间 7.1.3 总线总线 n总线：总线： 将计算机系统中的各个子系统将计算机系统中的各个子系统 （CPUCPU、内存、外设等）相互连接，且、内存、外设等）相互连接，且 连接是共享的。连接是共享的。 n总线分类总线分类 v数据总线数据总线 v地址总线地址总线 v控制总线控制总线 7.2 I/O系统的控制方式系统的控制方式 1程序控制直接传递方式程序控制直接传递方式 2程序查询方式程序查询方式 3

8、中断控制方式中断控制方式 n其基本工作过程是：其基本工作过程是： CPU执行设备驱动程序，发出启动执行设备驱动程序，发出启动I/O设备的指设备的指 令，使外设处于准备工作状态。然后，令，使外设处于准备工作状态。然后，CPU继续继续 运行程序，进行其他信息的处理。运行程序，进行其他信息的处理。 I/O控制器按照控制器按照I/O指令的要求，启动并控制指令的要求，启动并控制 I/O设备的工作。设备的工作。 7.2 I/O系统的控制方式系统的控制方式 当输入就绪、输出完成或发生错误时，当输入就绪、输出完成或发生错误时，I/O控制器控制器 便向便向CPU发送一个中断信号。发送一个中断信号。 CPU接收到

9、中断信号后，保存少量的状态信息。接收到中断信号后，保存少量的状态信息。 然后将控制传送给中断处理程序。然后将控制传送给中断处理程序。 中断处理程序确定中断原因，执行相应的处理工中断处理程序确定中断原因，执行相应的处理工 作，最后退出中断，返回中断前的执行状态。作，最后退出中断，返回中断前的执行状态。 CPU恢复对被中断任务的处理工作。恢复对被中断任务的处理工作。 7.2 I/O系统的控制方式 4直接存储器访问方式直接存储器访问方式 5独立通道方式独立通道方式 n为使为使CPU摆脱繁忙的摆脱繁忙的I/O事务，现代大、中型事务，现代大、中型 计算机都设置了专门处理计算机都设置了专门处理I/O操作的

10、机构，这操作的机构，这 就是通道。就是通道。 n通道程序由通道执行的指令组成。通道程序由通道执行的指令组成。 7.2 I/O系统的控制方式系统的控制方式 5独立通道方式独立通道方式 （2）通道类型）通道类型 字节多路通道。它以字节作为信息输送单位，字节多路通道。它以字节作为信息输送单位， 服务于多台低速服务于多台低速I/O设备。设备。 选择通道。它在同一时间里只能为一台设备服选择通道。它在同一时间里只能为一台设备服 务。主要用于连接高速外部设备务。主要用于连接高速外部设备 成组多路通道。它结合字节多路通道分时操作成组多路通道。它结合字节多路通道分时操作 和选择通道高速传送的优点，广泛用于连接高

11、速和和选择通道高速传送的优点，广泛用于连接高速和 中速设备。中速设备。 6. I/O处理器方式处理器方式 7.2 I/O系统的控制方式系统的控制方式 7.3 I/O7.3 I/O设备管理的功能设备管理的功能 1I/O软件的主要目标软件的主要目标 （1）与设备无关）与设备无关 n也称设备独立性。用户程序应与实际使用的物也称设备独立性。用户程序应与实际使用的物 理设备无关，由操作系统考虑因为实际设备不理设备无关，由操作系统考虑因为实际设备不 同而需要使用不同的设备驱动程序等问题。同而需要使用不同的设备驱动程序等问题。 （2）统一命名）统一命名 （3）层次结构）层次结构 （4）效率高）效率高 7.3

12、 I/O7.3 I/O设备管理的功能设备管理的功能 2I/O管理的主要功能管理的主要功能 （1）监视设备状态）监视设备状态 （2）进行设备分配）进行设备分配 （3）完成）完成I/O操作操作 （4）缓冲管理与地址转换）缓冲管理与地址转换 7.4 设备分配技术设备分配技术 7.4.1 与设备分配相关的因素与设备分配相关的因素 （1）I/O设备的固有属性设备的固有属性 （2）系统所采用的分配算法）系统所采用的分配算法 （3）设备分配应防止死锁发生）设备分配应防止死锁发生 （4）用户程序与实际使用的物理设备无关）用户程序与实际使用的物理设备无关 7.4.2 设备分配算法设备分配算法 （1）先来先服务）

13、先来先服务 （2）优先级高的优先服务）优先级高的优先服务 7.4.3 设备分配技术设备分配技术 1按使用性质对设备分类按使用性质对设备分类 （1）独占设备）独占设备 （2）共享设备）共享设备 （3）虚拟设备）虚拟设备 7.4.3 设备分配技术设备分配技术 2设备分配技术设备分配技术 （1）独占分配）独占分配 n独占分配技术是把独占设备固定地分配给一个进独占分配技术是把独占设备固定地分配给一个进 程，直至该进程完成程，直至该进程完成I/O操作并且释放它为止。操作并且释放它为止。 （2）共享分配）共享分配 （3）虚拟分配）虚拟分配 n虚拟分配技术利用共享设备去实现独占设备的功虚拟分配技术利用共享设

14、备去实现独占设备的功 能，从而使独占设备能，从而使独占设备“感觉上感觉上”成为可共享的、成为可共享的、 快速的快速的I/O设备。设备。 n实现虚拟分配最成功的技术是：实现虚拟分配最成功的技术是：SPOOLing 技术。技术。 n例如：把卡片机（独占设备）变成共享设备例如：把卡片机（独占设备）变成共享设备。 nSPOOLing程序预先把一台卡片机上一个作业的全部卡程序预先把一台卡片机上一个作业的全部卡 片输入磁盘中。以后，当进程试图读卡时，片输入磁盘中。以后，当进程试图读卡时， 由由 SPOOLing程序把这个请求转换成从盘上读入。从用户程序把这个请求转换成从盘上读入。从用户 程序来看，它是从卡

15、片机上读入信息，而实际上是从磁程序来看，它是从卡片机上读入信息，而实际上是从磁 盘上读入的。因为磁盘容易被多个用户共享，用户作业盘上读入的。因为磁盘容易被多个用户共享，用户作业 可一个接一个地放在卡片机上，然后送入磁盘。借助磁可一个接一个地放在卡片机上，然后送入磁盘。借助磁 盘这个共享设备，把卡片机变成共享设备了。盘这个共享设备，把卡片机变成共享设备了。 7.4.4 SPOOLing系统 SPOOLing技术的实现实体：SPOOLing系统系统的构成的构成 输入进程输入进程输出进程输出进程 输入缓冲区输入缓冲区 输出缓冲区输出缓冲区 输入井输入井 输出井输出井 磁盘内存 输入设备输入设备 输出

16、设备输出设备 7.4.4 SPOOLing系统 n系统组成系统组成 n输入井和输出井输入井和输出井 n输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区 n输入进程和输出进程输入进程和输出进程 7.4.4 SPOOLing系统 n输入井和输出井输入井和输出井 n输入井：虚拟低速输入设备，暂存从输输入井：虚拟低速输入设备，暂存从输 入设备入设备预输入预输入的信息；的信息； n输出井：虚拟低速输出设备，暂存要输出井：虚拟低速输出设备，暂存要缓缓 输出输出到输出设备的信息。到输出设备的信息。 7.4.4 SPOOLing系统 n输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区 n输入缓冲区：用作输入设备和磁盘

17、输输入缓冲区：用作输入设备和磁盘输 入井之间的中转站；入井之间的中转站； n输出缓冲区：用作磁盘输出井和输出输出缓冲区：用作磁盘输出井和输出 设备之间的中转站。设备之间的中转站。 7.4.4 SPOOLing系统 n输入进程和输出进程输入进程和输出进程 n输入进程：模拟脱机输入时的卫星输入机，输入进程：模拟脱机输入时的卫星输入机， 将数据从输入设备经过输入缓冲区送到输将数据从输入设备经过输入缓冲区送到输 入井。当入井。当CPU需要读取数据时，直接从输需要读取数据时，直接从输 入井中提取数据到内存；入井中提取数据到内存； n输出进程：模拟脱机输出时的卫星输出机，输出进程：模拟脱机输出时的卫星输出

18、机， 将应用进程要输出的数据送到输出井，当将应用进程要输出的数据送到输出井，当 输出设备空闲时，将输出井中的数据经过输出设备空闲时，将输出井中的数据经过 输出缓冲区送到输出设备输出。输出缓冲区送到输出设备输出。 7.4.4 SPOOLing系统 n利用利用SPOOLing技术共享打印机技术共享打印机 n当用户进程请求打印输出时，当用户进程请求打印输出时，SPOOLing 系统立即同意为它打印输出，但并不真正系统立即同意为它打印输出，但并不真正 把打印机分配给该用户进程把打印机分配给该用户进程 7.4.4 SPOOLing系统 n利用利用SPOOLing技术共享打印机技术共享打印机 n由输出进程

19、在输出井中为之申请一个空闲由输出进程在输出井中为之申请一个空闲 的磁盘块区，并将要打印的数据送入其中。的磁盘块区，并将要打印的数据送入其中。 n输出进程再为用户进程申请一张空白的用输出进程再为用户进程申请一张空白的用 户请求打印表，并将用户的打印要求填入户请求打印表，并将用户的打印要求填入 其中，然后将该表挂到打印机的请求打印其中，然后将该表挂到打印机的请求打印 队列上队列上 7.4.4 SPOOLing系统 n利用利用SPOOLing技术共享打印机技术共享打印机 n如果打印机空闲，输出进程将从请求队列的队如果打印机空闲，输出进程将从请求队列的队 首取出一张请求打印表，根据表中的要求将要首取出

20、一张请求打印表，根据表中的要求将要 打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由打印的数据从输出井传送到内存缓冲区，再由 打印机进行打印。打印完后，输出进程将再检打印机进行打印。打印完后，输出进程将再检 查请求队列中是否还有待打印的请求表，若有查请求队列中是否还有待打印的请求表，若有 继续打印，否则便将自己阻塞起来，并在下次继续打印，否则便将自己阻塞起来，并在下次 再有打印请求时被唤醒。再有打印请求时被唤醒。 7.5 I/O软件层次 图 I/O软件系统的层次 7.5.1 中断处理程序 7.5.2 设备驱动程序 n每个连接到计算机的I/O设备 都需要某些设备特定的代码来 对其进行控制，这样的代码为

21、设备驱动程序。 7.5.2 设备驱动程序 图7-7 设备驱动程序在系统中的逻辑位置 7.5.2 设备驱动程序设备驱动程序 n设备驱动程序主要功能设备驱动程序主要功能 n接受来自上层、与设备无关软件的抽象读写请接受来自上层、与设备无关软件的抽象读写请 求，并且将该求，并且将该I/O请求排在请求队列的队尾，请求排在请求队列的队尾， 同时还要检查同时还要检查I/O请求的合法性。请求的合法性。 n取出请求队列中队首请求，且将相应设备分配取出请求队列中队首请求，且将相应设备分配 给它。给它。 n向该设备控制器发送命令，启动该设备工作，向该设备控制器发送命令，启动该设备工作， 完成指定的完成指定的I/O操

22、作。操作。 n处理来自设备的中断。处理来自设备的中断。 7.5.3 与设备无关的操作系统I/O软件 图7-8 与设备无关的操作系统I/O软件的功能 7.5.3 与设备无关的操作系统与设备无关的操作系统I/O软软 件件 1设备驱动程序的统一接口设备驱动程序的统一接口 2缓冲技术缓冲技术 （1）缓冲技术的引入）缓冲技术的引入 引入缓冲技术的主要目的是：引入缓冲技术的主要目的是： 缓解缓解CPU与与I/O设备间速度不匹配的矛盾。设备间速度不匹配的矛盾。 提高它们之间的并行性。提高它们之间的并行性。 减少对减少对CPU的中断次数，放宽的中断次数，放宽CPU对中断响应对中断响应 时间的要求。时间的要求。

23、 （2）缓冲区的设置）缓冲区的设置 单缓冲。如果数据到达率与离去率相差很大，则单缓冲。如果数据到达率与离去率相差很大，则 可采用单缓冲方式。可采用单缓冲方式。 双缓冲。如果信息的输入和输出速率相同（或相双缓冲。如果信息的输入和输出速率相同（或相 差不大），则可利用双缓冲区实现二者的并行。差不大），则可利用双缓冲区实现二者的并行。 多缓冲。多缓冲。 n为了解决阵发性为了解决阵发性I/O的速度不匹配问题，可以设立的速度不匹配问题，可以设立 多个缓冲区。多个缓冲区。 图7-9 双缓冲工作示例 7.5.3 与设备无关的操作系统与设备无关的操作系统I/O软件软件 3出错报告出错报告 n根据错误产生的原因

24、，可把根据错误产生的原因，可把I/O错误分为两错误分为两 类：一类是程序设计错误，另一类是实际类：一类是程序设计错误，另一类是实际 I/O错误。错误。 4分配和释放独占设备分配和释放独占设备 5提供与设备无关的块大小提供与设备无关的块大小 7.5.4 用户级用户级I/O软件软件 n多数多数I/O软件都在操作系统中，用户空软件都在操作系统中，用户空 间中也有一小部分。通常，它们以库函间中也有一小部分。通常，它们以库函 数形式出现。数形式出现。 n用户空间中另一个重要的用户空间中另一个重要的I/O软件是软件是 SPOOLing系统。系统。 7.6 磁盘调度和管理 7.6.1 磁盘硬件 1磁盘的结构 7.6.1 磁盘硬件磁盘硬件 （1）Header（磁头）（磁头） （2）Cylinder（柱面）（柱面） （3）Sector（扇区）（扇区） n扇区是将磁道按照相同角度等分的扇形。扇区是将磁道按照相同角度等分的扇形。 7.6.2 磁盘调度磁盘调度 1磁盘存取时间磁盘存取时间 n磁盘寻道时间（即磁头从当前磁道移至指定磁磁盘寻道时间