操作系统 第6章设备

2023/2/31第6章输入输出系统（I/O）6.1I/O系统的功能、模型和接口2023/2/32

I/O系统是操作系统对计算机系统中除CPU和内存之外的外部设备进行管理。操作系统设备管理是要，方便用户使用设备、提高设备利用率。

提高设备利用率的关键是实现设备的并行操作。一方面，诸设备要与CPU并行，另一方面，诸设备间也要并行。I/O系统的层次结构

整个I/O结构分成三个层次：底层是具体的设备和硬件接口，中间是系统软件（与设备相关软件、与设备无关软件），最上面是用户程序。打印机摄像机硬盘设备打印机控制器摄像机控制器磁盘控制器打印机驱动程序摄像机驱动程序磁盘驱动程序I/O接口程序硬件接口与设备相关软件与设备无关软件用户程序进程A进程B进程C进程N用户空间内核空间打印机中断处理程序摄像机中断处理程序磁盘中断处理程序1.设备的分类2023/2/34（1）按设备的使用特性分类 存储设备、I/O设备（2）按信息的组织方式分类

块设备：磁盘、磁带等

字符设备：每次传送字符数据，如键盘。6.2I/0设备和设备控制器设备的分类……2023/2/3Page5(3)按传输速率分类低速设备每秒几个字节至数百字节键盘、鼠标、语音输入输出设备等中速设备每秒数千至数万字节行式打印机、激光打印机等高速设备每秒数百K至数十M字节磁盘机、磁带机、光盘机等2023/2/362.设备与控制器之间的接口

通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。因此，在设备中应含有与设备控制器的接口。2023/2/3Page7设备与控制器之间的接口数据信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信号控制信号线作为由设备控制器向I/O设备发送控制信号（规定设备应执行的操作）时的通路状态信号线用于传送指示设备当前状态的信号设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口由外界输入的信号经转换器转换后送入缓冲器，数据达到一定的字符数后，再从缓冲器通过一组数据信号线送到控制器从设备控制器经过数据信号线传送来的数据先暂存在缓冲器，经转换器经过适当转换后，逐个字符输出信号规定设备要执行的操作指示设备当前状态，正在读、写或完成2.设备控制器2023/2/38设备控制器的组成2.设备控制器2023/2/39基本功能接收和识别命令应有控制寄存器存放接受的命令和参数，并对其译码数据交换实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换，需设置数据寄存器标识和报告设备的状态：需设置状态寄存器地址识别识别所控制的设备，需设置地址译码器数据缓冲：解决I/O设备速率低的问题差错控制：对I/O设备发送的数据6.4设备驱动程序

6.4.3对I/O设备的控制方式2023/2/3101.程序查询/轮询方式

用户进程直接控制CPU与外设之间的数据传送。当用户进程需要使用某一外设输入/输出数据时，它通过CPU向外设发出一条I/O指令启动外设，然后在外设上进行I/O数据处理的过程中，进程循环测试外设是否处理完毕(busy=0)，如果完毕就再启动下一次的传送，直到传送结束。设备内存或设备CPU2023/2/311向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完(a)程序I/O方式2023/2/312缺点：①CPU与外设之间只能串行工作。CPU在绝大多数时间内都处于循环测试的忙等待状态，使得CPU的利用率极低。②由于一段时间内CPU只能与一台外设交换数据，因此多台外设之间也只能串行工作。

程序查询方式只适用于CPU执行速度较慢且外设较少的系统。2.中断控制方式2023/2/313向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完中断CPU(b)中断驱动方式做其它事2023/2/315特点：CPU与外设并行工作，也可外设间并行工作，大大提高了系统效率。仅适宜于慢速的字符设备，中断次数频繁(数据缓冲寄存器小,满即产生中断)，系统开销大（在中断处理上）。3.DMA方式2023/2/316

在外设与内存间直接开辟一个数据通道，由DMAC(DMA控制器)来控制它们之间的成批数据传送。2023/2/317特点数据传输的基本单位是数据块所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需CPU干预除了具有中断机构外，还增加了DMA控制器数据传送方向、存放数据的内存地址及传送数据长度需CPU控制每个设备需配置一个DMA控制器DMA方式2023/2/318DMA方式的工作流程设置MAR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC＝0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是内存地址寄存器MAR数据存放到内存的起始目标地址数据计数器DC要读或写的字（节）数2023/2/319与中断方式的区别：1）中断方式是在数据寄存器满的时候发出中断请求，DMA方式是在数据传送结束时发出中断请求。2）中断方式中的中断处理程序负责数据传送(取走数据)，DMA方式中的中断处理程序做I/O的结束工作。

DMA方式适合连续数据块的传送。4通道控制方式2023/2/320通道是一个独立于cpu的专管输入输出控制的处理机有自己简单的指令系统，只有数据传送指令和设备控制指令主要目的是为了建立独立的I/O操作，使有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理也独立于CPUCPU向I/O通道发送I/O命令，由通道执行程序通道与一般处理机的区别指令单一没有独立的内存2023/2/321通道的种类字节多路：以字节为单位传送数据，低速设备数组选择：一次只能控制一台I/O设备；以块为单位或成批传送数据；高速设备数组多路：传输速度快，通道利用率高，可连接多台高中速设备2023/2/3226.5.3设备分配2023/2/3231.设备分配的原则： 总原则：考虑设备的固有属性，充分发挥设备的使用效率，尽可能的让设备忙，又要避免由于不合理的分配方法造成进程死锁；把用户程序和具体的物理设备隔离开来。2.设备分配策略：先请求先分配优先级高者先分配设备分配时应考虑的因素设备的固有属性独占性一段时间内，只允许一个进程独占，大多数低度速Ｉ/Ｏ设备都属于独享设备共享性允许多个进程同时共享，如磁盘、磁鼓之类的外存储器，既具有很能大的存储容量，其定位操作的时间又短可虚拟性独占设备经某种技术处理，改造成虚拟设备，把一台输入机虚拟为几台“虚拟”的输入机。例如：为了提高设备利用率引入了脱机输入输出或采用SPOOLing技术，变一台为“多台设备”缺点：设备得不到充分利用，可能产生死锁设备分配时应考虑的因素设备分配独占设备防止死锁共享设备由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好。注意各进程的访问次序进行合理调度虚拟设备2023/2/3263.设备分配中的安全性安全分配方式每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，I/O操作完成后唤醒优点：摒弃了“请求和保持”条件，不会产生死锁不安全分配方式进程发出I/O请求后仍继续运行，继续申请I/O设备优点：可操作多个设备，推进迅速6.7缓冲技术2023/2/327

缓冲是用来缓和CPU与外设之间以及设备与设备之间速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性。1缓冲的引入

采用缓冲技术的目的主要在于：2023/2/3281).用来缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。2).提高CPU和I/O设备的并行性。3).有效减少对CPU的中断次数，放宽对CPU中断响应时间的限制。比如：字符设备无缓冲：传输一个字符需要中断一次有缓冲：传输100个字符只需要中断一次4).解决生产和消费数据粒度不匹配的问题2023/2/3291位缓冲9.6Kb/s(a)中断CPU的频率为9.6Kb/s，每100s中断一次CPUCPU必须在100s内响应，否则数据会被冲掉8位缓冲寄存器送内存9.6Kb/s(b)中断CPU的频率降低为9.6Kb/82023/2/3308位缓冲寄存器9.6Kb/s送内存(c)每800s中断一次CPU2缓冲的种类

缓冲区分为单缓冲、双缓冲、环型缓冲、缓冲池等，现代操作系统很多采用缓冲池技术。缓冲池将多个缓冲区组织成多个缓冲队列。2023/2/331缓冲区中的单缓冲和双缓冲2023/2/332单缓冲和双缓冲2023/2/3Page33只能实现单向的数据传输为了实现双向数据传输，必须在两台机器中都设置两个缓冲区，一个用作发送缓冲区，另一个用作接收缓冲区。循环缓冲2023/2/3Page34类型：R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲本章小结2023/2/335了解外设的分类；了解设备管理的功能；理解几种数据传输控制方式的不同（程序直接控制、中断方式、DMA方式和通道方式）；了解中断中的相关概念；理解引入缓冲区的作用；设备分配的原则和策略。脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式硬件不断发展，CPU速度的提高、系统规模扩大，人机矛盾严重，如何解决？磁带磁带磁带磁带SPOOLing技术2023/2/3Page37什么是SPOOLing技术为了缓和CPU的高速性与I/O设备低速性间的矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术在多道程序环境下，其中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能，此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，或称为假脱机操作SPOOLing技术2023/2/3Page38SPOOLing系统的组成输入井和输出井在磁盘上的两个存储空间输入井模拟脱机输入，暂存输入数据输出井模拟脱机输出，暂存输出数据输入缓冲区和输出缓冲区用来缓和CPU与磁盘之间的速度的矛盾输入进程进程SPo模拟脱机I/O时的外围控制机脱机输入/输出（Off-LineI/O）方式Page392023/2/3磁带磁带磁带磁带SPOOLing技术2023/2/3Page40SPOOLing技术2023/2/3Page41共享打印机打印机为独占设备，利用SPOOLing技术，可将之改造为共享设备用户请求打印时，SPOOLing系统处理如下由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印的数据送入其中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其中，再将该表挂到请求打印队列上SPO