操作系统 第5章输入与输出系统(1)

1、 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 输入输入/输出系统输出系统第第5章章 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 z 输入输入/ /输出硬件输出硬件输入输出软件与硬件输入输出软件与硬件z 输入输入/ /输出软件输出软件输入输出设备输入输出设备设备控制器设备控制器通道通道存储器直接存取存储器直接存取( (DMA)DMA)设备设备数据传送控制方式数据传送控制方式中断中断设备驱动程序设备驱动程序与设备无关的与设备无关的I/OI/O软件软件设备分配设备分配缓冲缓冲 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 进程与资进程与资源管理源管理文件

2、管理文件管理存储管理存储管理设备管理设备管理处理机处理机主存主存设备设备操作系统操作系统计算机硬件计算机硬件 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 操作系统庞大复杂的原因之一：资源多、杂，并操作系统庞大复杂的原因之一：资源多、杂，并发，均来自发，均来自I/OI/On外设种类繁多，结构各异外设种类繁多，结构各异n输入输出数据信号类型不同输入输出数据信号类型不同n速度差异很大速度差异很大I/OI/O性能经常成为系统性能的瓶颈性能经常成为系统性能的瓶颈nCPUCPU性能不等于系统性能：响应时间也是一个重要因素性能不等于系统性能：响应时间也是一个重要因素nCPUCPU性能越高，与

3、性能越高，与I/OI/O差距越大差距越大 弥补：更多的进程弥补：更多的进程n进程切换多，系统开销大进程切换多，系统开销大 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 一、引言1) 1) 选择和分配设备以便进行数据传输操作；选择和分配设备以便进行数据传输操作；2) 2) 控制设备和控制设备和CPU(CPU(或内存或内存) )之间交换数据；之间交换数据；3) 3) 为用户提供一个友好的透明接口；为用户提供一个友好的透明接口；4) 4) 提高设备和设备之间、提高设备和设备之间、CPUCPU和设备之间以及和设备之间以及进程和进程之间的并行操作度，以使操作系统进程和进程之间的并行操作度，

4、以使操作系统获得最佳效率。获得最佳效率。设备管理的主要任务设备管理的主要任务 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 n为进程管理提供接口（将进程的请求转给设为进程管理提供接口（将进程的请求转给设备管理）备管理）n实施设备分配（设备分类、调度算法、等待实施设备分配（设备分类、调度算法、等待队列）队列）n实现设备之间以及设备与实现设备之间以及设备与CPUCPU之间并行操作之间并行操作（DMADMA、通道）、通道）n缓冲区管理缓冲区管理设备管理程序提供的功能设备管理程序提供的功能 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 接收用户提出的接收用户提出的I/OI/

5、O请求阶段请求阶段响应设备中断请求阶段响应设备中断请求阶段设备管理的两个阶段 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 输入输出硬件输入输出硬件 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （1）按功能特性分n 存储型设备n 输入输出型设备（交互型设备）n 数据通信设备1.设备的分类磁带机、磁盘机等外存设备磁带机、磁盘机等外存设备键盘、图形输入仪、鼠标键盘、图形输入仪、鼠标显示器、打印机等显示器、打印机等通用终端、专用终端等通用终端、专用终端等（2）按数据组织分 字符设备以字符为单位存储、传输信息 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 北北 京京 林林 业业

6、大大 学学 信信 息息 学学 院院 块设备块设备（1）顺序存取存储设备：磁带n永久保存大容量数据n顺序存取设备：前面的物理块被存取访问之后，才能存取后续的物理块的内容n存取速度较慢：主要用于后备存储，或存储不经常用的信息，或用于传递数据的介质第第i i块块 间隙间隙 第第i+1i+1块块 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （2）直接存取存储设备：磁盘 直接（随机）存取设备： 存取磁盘上任一物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置（3）完全直接存取存储设备： 半导体随机存取存储器磁道磁道扇区扇区块设备块设备 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 柱面

7、柱面扇区扇区磁臂磁臂磁头磁头 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 信息记录在磁道上，多个盘片，正反两面都用来记录信息，每面一个磁头 所有盘面中处于同一磁道号上的所有磁道组成一个柱面 物理地址形式： 磁头号（盘面号）+磁道号（柱面号）+ 扇区号磁盘访问过程由三个动作组成：n寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道n旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过n数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （3）按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备（如打印机，磁带

8、等） 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘） 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备 目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备）设备的分类（续设备的分类（续2 2） 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （4）从数据传输率角度分 低速设备低速设备中速设备中速设备高速设备高速设备设备的分类（续设备的分类（续4 4） 北北 京京 林林 业业 大大

9、学学 信信 息息 学学 院院 2.2.设备控制器设备控制器I IO O设备一般由机械和电子两部分组设备一般由机械和电子两部分组成成把这两部分分开处理，以提供更加模把这两部分分开处理，以提供更加模块化更加通用的设计块化更加通用的设计 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 数据寄存器数据寄存器控制/状态控制/状态寄存器寄存器数据线数据线I/O逻辑逻辑控制器控制器与设备与设备接口 1接口 1控制器控制器与设备与设备接口 接口 i数据数据状态状态控制控制数据数据状态状态控制控制地址线地址线控制线控制线CPU与控制器接口与控制器接口控 制 器 与设备接 口口 北北 京京 林林 业业

10、 大大 学学 信信 息息 学学 院院 （1 1）物理设备物理设备 机械部分是设备本身（物理装置）机械部分是设备本身（物理装置）（2 2）设备控制器设备控制器n 电子部分叫做设备控制器或适配器电子部分叫做设备控制器或适配器n 完成设备与主机间的连接和通信完成设备与主机间的连接和通信n 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机主板上的总线插槽入计算机主板上的总线插槽n 通过若干接口寄存器或接口缓冲区与通过若干接口寄存器或接口缓冲区与CPUCPU通信通信 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信

11、息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 3.3.通道通道 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器字节多路字节多路通道通道选择通道选择通道数组多路数组多路通道通道磁盘磁盘磁盘磁盘磁带磁带磁带磁带终端终端终端终端终端终端CPUCPU内存内存总线总线 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 n字节多路通道 字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行

12、多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息. 主要连接以字节为单位的低速I/O设备,如打印机，终端。 以字节为单位交叉传输.通道分类通道分类 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 通道分类通道分类n数据选择通道v 数据选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。数据选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输，当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序。v 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备。 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 选择通道选择通道 北北 京京 林林 业业 大大 学学 信信 息息 学学 院院 通道分类通道分类n数组多路通道结合选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令主要连接高速设备这样，对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交叉地传输一批批数据。数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现 北北