第7章 输入输出系统

7.1I/O系统的功能、模型和接口7.2I/O设备和设备控制器7.3I/O中断7.4设备驱动程序7.5设备分配与回收7.6假脱机技术7.7缓冲区管理7.8磁盘存储器的性能和调度第七章输入输出系统7.1I/O系统的功能、模型和接口第七章输入输出系统7.1

I/O系统的功能、模型和接口★I/O系统管理的主要对象

I/O设备和相应的设备控制器。★主要的任务完成用户提出的I/O请求提高I/O速率提高设备的利用率为更高层的进程方便地使用这些设备提供手段。7.1.1I/O系统的基本功能1.隐藏物理设备的细节2.与设备的无关性3.提高处理机和I/O设备的利用率4.对I/O设备进行控制5.能确保对设备的正确共享6.错误处理用户打印时使用/dev/printer，可以调用任何空闲打印机7.1.3

I/O系统接口1.块设备接口：是块设备管理程序与高层之间的接口。2.流设备接口：是流设备管理程序与高层之间的接口，又称字符设备接口。3.网络通信接口：操作系统也必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。7.1.3

I/O系统接口7.2I/O设备和设备控制器第七章输入输出系统7.2.1

I/O设备

⑴I/O设备的类型

★按使用特性分类①存储设备，也称外存、辅存，是用以存储信息的主要设备。该类设备存取速度较内存慢，但容量却大得多，价格也便宜。

②I/O设备，它又可分为输入设备、输出设备和交互式设备。

7.2.1

I/O设备

⑴I/O设备的类型

★按传输速率分类①低速设备：其传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备，如键盘、鼠标器。

②中速设备：传输速率在每秒钟数千个字节至数十万个字节的一类设备，如行式打印机、激光打印机等。

③高速设备：传输速率在数十万字节至千兆字节的一类设备，如磁带机、磁盘机、光盘机等。7.2.2设备控制器7.2.2设备控制器

⑴设备控制器的基本功能

①接收和识别命令

②数据交换

③标识和报告设备的状态

④地址识别

⑤数据缓冲区⑥差错控制7.2.2设备控制器

⑵设备控制器的组成

①设备控制器与处理机的接口：用于实现CPU与设备控制器之间的通信，接口中共有三类信号线：数据线、地址线和控制线。

②设备控制器与设备的接口：控制器中有一个或多个设备接口。在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。

③I/O逻辑：I/O逻辑用于实现对设备的控制，接收CPU命令和地址译码。7.2.2设备控制器

⑵设备控制器的组成2.设备控制器

⑵设备控制器的组成7.3中断和中断处理程序第七章输入输出系统7.3.1中断概述中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。7.3.2中断处理过程7.4设备驱动程序第七章输入输出系统

设备驱动程序的功能

(1)接收命令和参数；

(2)检查用户I/O请求的合法性；

(3)发出I/O命令；

(4)及时响应并处理由设备控制器发来的中断请求。7.4.1设备驱动程序概述

★设备驱动程序的处理过程

1.将抽象要求转换为具体要求。

2.对服务请求进行校验。

3.检查设备的状态。

4.传送必要的参数。

5.启动I/O设备。7.4.2设备驱动程序的处理过程7.4.3对I/O设备的控制方式

★I/O控制方式的宗旨尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制事务中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。7.4.3对I/O设备的控制方式

1.程序直接控制方式

以字（节）为单位传输。

CPU的绝大部分时间，都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。7.4.3对I/O设备的控制方式

2.中断控制方式以字（节）为单位传输。

CPU和I/O设备可并行工作。中断控制方式可以成百倍地提高CPU的利用率。7.4.3对I/O设备的控制方式

3.直接存储器访问方式①数据传输的基本单位是数据块；②所传送的数据，是从设备直接送入内存的，或者相反；③仅在传送一个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

DMA方式又进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。3.直接存储器访问方式

（2）DMA控制器的组成

①主机与DMA控制器的接口；

②DMA控制器与块设备的接口；

③I/O控制逻辑。为了实现在主机与控制器之间，成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中，设置如下四类寄存器：

①命令/状态寄存器CR；②内存地址寄存器MAR；③数据寄存器DR；④数据计数器DC。3.直接存储器访问方式

（2）DMA控制器的组成3.直接存储器访问方式

（3）DMA工作过程返回4.I/O通道控制方式I/O通道是一种专门负责数据传输的处理器。I/O通道方式把对一个数据块的为单位的干预，减少为对一组数据块的干预。返回操作R0R1计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE00501650WRITE112502720上节回顾

I/O系统的任务、功能和接口。设备和设备控制器（功能和组成）。中断和中断处理过程。设备驱动程序的处理过程。

I/O控制方式（程序控制、中断、DMA和通道）7.5设备分配与回收第七章输入输出系统7.5.1

基本概念1.物理设备名

例如：1、2、5

2.逻辑设备名

例如：/dev/printer

3.逻辑设备名到物理设备名的转换

根据逻辑设备名找到物理设备名。

4.设备无关性（设备独立性）

应用程序中所用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备。7.5.3设备分配

1.设备分配中的数据结构

(1)设备控制表DCT：每个设备配置一张记录设备情况的表。

(2)控制器控制表COCT：每个控制器设置一张记录控制器情况的表。

(3)通道控制表CHCT：每个通道设置一张记录通道情况的表。

(4)系统设备表SDT：记录系统中全部设备的情况，每个设备占一个表目。7.5.3设备分配

★设备控制表7.5.3设备分配

★控制器控制表和系统设备表7.5.3设备分配

2.设备分配时应考虑的因素

⑴设备的固有属性（掌握）

①独占设备：指在一段时间内只允许一个进程使用的设备。②共享设备：指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。③虚拟设备：指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户进程共享的逻辑设备。7.5.3设备分配

2.设备分配时应考虑的因素

（2）设备分配中的安全性（掌握）

①安全分配方式：进程发出I/O请求后立即进入阻塞状态，直到该I/O处理完成才被唤醒。

②不安全分配方式：进程发出一个I/O请求后，可继续运行，需要时又可发出第二个、第三个I/O请求。仅当进程所请求的设备为其他进程所占有时，才进入阻塞状态。7.5.3设备分配

3.独占设备的分配程序

1）基本的设备分配程序

当某进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序，可按下述步骤进行设备分配：

（1）分配设备：根据物理设备名查找系统设备表SDT，从中找出该设备的DCT。（2）分配控制器：在DCT中找出与该设备连接的控制器的COCT。

（3）分配通道：在COCT中查找与控制器连接的通道的CHCT。7.5.3设备分配3.独占设备的分配程序

2）设备分配程序的改进进程以物理设备名提出I/O请求时，如果所指定的设备已分配给其它进程，则分配失败。不具有与设备无关性。为获得设备的独立性，进程应使用逻辑设备名请求I/O。7.5.4逻辑设备名到物理设备名映射的实现系统中需要配置一张逻辑设备表，用于将逻辑设备名映射为物理设备名。

1.逻辑设备表LUT(LogicalUnitTable)

在逻辑设备表的每个表目中包含了三项：逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序的入口地址。

返回7.5.4逻辑设备名到物理设备名映射的实现上节回顾

物理设备名、逻辑设备名和设备无关性（设备独立性）。设备分配的数据结构（DCT、COCT、CHCT、SDT）。设备的固有属性（独享设备、共享设备和虚拟设备）。设备分配的安全性（安全性分配和不安全性分配）。

逻辑设备到物理设备映射（LUT）。7.6假脱机技术第七章输入输出系统7.6.2假脱机（Spooling）系统

脱机输入/输出方式输入设备输出设备外围机外围机磁盘磁盘主机7.6.2假脱机（Spooling）系统

脱机输入/输出方式输入设备输出设备外围机外围机磁盘磁盘主机通过程序模拟外围机的功能7.6.2假脱机（Spooling）系统

1.假脱机技术（掌握）

在联机情况下实现的外围操作与CPU对数据的处理同时进行的技术称为Spooling技术，或称为假脱机输入输出技术。

7.6.2假脱机（Spooling）系统

2.假脱机系统的构成（掌握）输入井和输出井。输入缓冲区和输出缓冲区。输入进程和输出进程。7.6.2假脱机（Spooling）系统

3.假脱机打印机系统

打印机属于独占设备。利用假脱机技术，可将它改造为一台可供多个用户共享的打印设备，从而提高设备的利用率，也方便了用户。

7.6.2假脱机（Spooling）系统

3.假脱机打印机系统7.6.2假脱机（Spooling）系统

4.假脱机打印机系统的特点

(1)提高了I/O的速度。

(2)将独占设备改造为共享设备。

(3)实现了虚拟设备功能。7.7缓冲区管理第七章输入输出系统7.7.1缓冲的引入

1.缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾

2.减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制

3.提高CPU和I/O设备之间的并行性

7.7.2单缓冲区和双缓冲区

1.单缓冲区（掌握）

Max(C,T)+M7.7.2单缓冲区和双缓冲区

2.双缓冲区（掌握）

Max(C,T)7.7.3环形缓冲区1.环形缓冲区的组成（掌握）R：空缓冲区。G：数据缓冲区。C：工作缓冲区。

2.环形缓冲区的使用

(1)Getbuf过程：计算进程调用Getbuf过程使用缓冲区中的数据。

(2)Releasebuf过程：当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，便调用Releasebuf过程，将缓冲区C释放，改为空缓冲区R。7.7.3环形缓冲区7.7.4缓冲池(BufferPool)

1.缓冲池的组成空缓冲队列emq输入队列inq输出队列outq

7.7.4缓冲池(BufferPool)

2.缓冲区的工作方式（掌握）

inqoutqemqhinsinsouthout用户进程输入设备输出设备收容输入提取输出提取输入收容输出缓冲池7.8磁盘存储器的性能和调度第七章输入输出系统7.8.1磁盘性能简述

1.数据的组织和格式磁盘设备可包括一个或多个物理盘片，每个磁盘片分一个或两个存储面，每个盘面上有若干个磁道，每条磁道又被从逻辑上划分成若干个扇区（sectors），一个扇区称为一个盘块（或数据块）。

1.数据的组织和格式

1.数据的组织和格式

2.磁盘的类型对磁盘，可以从不同