操作系统概念I、O设备管理

汇报人：AA2024-01-19操作系统概念I、O设备管理延时符Contents目录引言I/O设备概述操作系统对I/O设备的管理I/O控制方式缓冲管理I/O软件层次结构操作系统对I/O设备的优化策略延时符01引言了解操作系统中I/O设备管理的概念和原理通过深入研究I/O设备管理的相关知识和技术，可以更好地理解计算机系统中资源的管理和调度方式。掌握I/O设备管理的关键技术和方法熟悉I/O设备管理的各种技术和方法，如中断处理、缓冲管理、设备驱动等，有助于更好地进行系统设计和开发。提高系统性能和效率通过优化I/O设备管理的方式和方法，可以提高系统的整体性能和效率，从而提升用户体验和满足应用需求。目的和背景I/O控制方式详细介绍I/O设备管理的各种控制方式，如程序控制I/O、中断驱动I/O、DMAI/O等，并分析其优缺点。设备分配与回收讲解设备分配的策略和算法，如独占设备的分配、共享设备的分配等，并讨论设备回收的过程和注意事项。设备驱动程序设计介绍设备驱动程序的概念、作用和设计方法，包括如何编写设备驱动程序以及与硬件交互的方式等。I/O设备概述简要介绍I/O设备的概念、分类以及其在计算机系统中的作用。I/O软件层次结构阐述I/O软件层次结构的设计原则和实现方法，包括用户层软件、设备独立性软件、设备驱动程序等。缓冲管理分析缓冲管理的原理和方法，包括单缓冲、双缓冲、循环缓冲等，并探讨其在提高系统性能方面的作用。010203040506汇报范围延时符02I/O设备概述输入/输出设备，简称I/O设备，是计算机与外部世界进行信息交换的桥梁。根据数据传输方向的不同，I/O设备可分为输入设备、输出设备和输入输出设备三类。I/O设备定义与分类I/O设备分类I/O设备定义功能I/O设备的主要功能是完成数据的输入和输出，将外部世界的信息转换为计算机能识别的二进制代码，或将计算机处理后的结果以人类能理解的形式表现出来。作用I/O设备在计算机系统中起着非常重要的作用，它是计算机与外部世界进行信息交换的接口，没有I/O设备，计算机就无法与外界进行信息交流。I/O设备功能及作用03输入输出设备举例触摸屏（既是输入设备也是输出设备）。01输入设备举例键盘、鼠标、扫描仪、摄像头等。02输出设备举例显示器、打印机、音响等。常见I/O设备举例延时符03操作系统对I/O设备的管理设备驱动程序功能设备驱动程序提供了与设备进行通信的接口，实现了对设备的初始化、配置、数据传输和控制等功能。设备驱动程序分类根据设备类型和操作系统的不同，设备驱动程序可以分为字符设备驱动程序、块设备驱动程序和网络设备驱动程序等。设备驱动程序定义设备驱动程序是操作系统中与硬件设备进行交互的软件模块，用于控制和管理设备的操作。设备驱动程序设备独立性概念01设备独立性是指应用程序与具体设备无关，即应用程序不依赖于特定设备的特性，而是通过操作系统提供的统一接口来访问设备。设备独立性优点02设备独立性提高了程序的可移植性和设备的可替换性，使得应用程序可以在不同的操作系统和硬件平台上运行，同时也方便了设备的维护和升级。设备独立性实现方式03操作系统通过提供抽象的设备接口和设备驱动程序的分层结构来实现设备独立性。应用程序使用抽象的设备接口进行编程，而具体的设备驱动程序则实现了这些接口。设备独立性设备分配策略操作系统采用一定的策略来分配设备资源，如先来先服务、优先级高者优先等。在分配设备时，需要考虑设备的可用性、兼容性以及安全性等因素。设备回收机制当设备不再被使用或出现故障时，操作系统需要能够回收这些设备资源，以便重新分配给其他进程或任务使用。回收机制包括设备的注销、资源的释放以及错误处理等步骤。设备分配与回收的实现方式操作系统通过设备管理表、设备控制块等数据结构来管理设备的分配和回收。当进程请求使用设备时，操作系统会查找设备管理表，根据分配策略为进程分配相应的设备资源，并在进程使用完毕后及时回收这些资源。设备分配与回收延时符04I/O控制方式原理程序直接控制方式是由用户进程直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。优点控制简单，也不需要多少硬件支持。缺点CPU和外围设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低。程序直接控制方式中断控制方式是利用向CPU发送中断的方式控制外围设备和CPU之间的数据传送。原理优点缺点提高了CPU的利用率且能支持多道程序和设备的并行操作。由于数据缓冲寄存器比较小，如果中断次数较多，仍然占用了大量的CPU时间。中断控制方式

DMA控制方式原理在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路进行数据传送。优点在数据交换时不需要CPU的干预，因而能使CPU与外围设备并行工作。缺点这种方法一般只能进行简单的数据传送操作，在数据块传送的起始和结束时还需CPU的干预。原理实现了外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送，进一步减轻了CPU的负担。优点缺点增加了额外的硬件，造价昂贵。通道是一个用来控制外围设备的硬件机构，相当于一个功能简单的处理机。通道控制方式延时符05缓冲管理减少对CPU的中断频率采用缓冲技术可以减少CPU对中断的处理次数，从而提高CPU的利用率。数据传输同步缓冲技术可以实现数据的同步传输，保证数据的完整性和正确性。提高外设利用率通过缓冲技术，可以协调CPU和外设之间速度不匹配的矛盾，提高外设的利用率。缓冲的引入原因及作用在设备和CPU之间设置一个缓冲区，当设备输入数据时，先将数据放入缓冲区，然后CPU从缓冲区中取出数据进行处理。这种策略适用于输入/输出操作不能同时进行的场合。单缓冲策略设置两个缓冲区，一个用于输入，一个用于输出。当设备向输入缓冲区写入数据时，CPU可以从输出缓冲区中读取数据进行处理。这种策略可以实现输入/输出操作的并行进行，提高处理效率。双缓冲策略单缓冲和双缓冲策略循环缓冲循环缓冲是一种特殊的缓冲技术，它使用一个循环队列作为缓冲区。当数据从设备输入时，将数据依次放入循环队列中；当CPU需要处理数据时，从循环队列中取出数据进行处理。循环缓冲可以实现数据的连续传输和处理。缓冲池技术缓冲池是一种更为复杂的缓冲技术，它使用多个缓冲区来管理输入/输出数据。缓冲池中的每个缓冲区都可以独立地进行输入/输出操作，从而提高了系统的并行处理能力。同时，缓冲池还可以根据实际需要动态地分配和释放缓冲区资源，提高了资源的利用率。循环缓冲和缓冲池技术延时符06I/O软件层次结构用户层I/O软件实现与用户交互的接口用户层I/O软件通过提供一系列的API接口，使得用户可以方便地进行输入/输出操作。数据格式处理在用户层，I/O软件还负责处理数据的格式，如字符编码、数据压缩等，以满足不同应用的需求。设备独立性软件设备独立性软件为上层软件提供统一的设备接口，使得上层软件无需关心具体设备的细节。统一设备接口该软件负责设备的分配与回收，确保每个请求都能获得所需的设备资源。设备分配与回收VS设备驱动程序直接与硬件设备进行交互，实现对设备的控制和管理。数据传输驱动程序还负责在设备和内存之间传输数据，确保数据的正确传输和处理。设备控制设备驱动程序当中断发生时，中断处理程序负责保存现场、分析中断原因并调用相应的处理程序。中断处理程序通过查询中断向量表来确定具体的中断服务程序入口地址。中断处理中断向量表中断处理程序延时符07操作系统对I/O设备的优化策略设备独立性操作系统采用设备无关性技术，使得应用程序独立于具体使用的物理设备。这意味着应用程序只需使用逻辑设备名，而无需关心实际物理设备的特性。设备驱动程序设备驱动程序是实现设备无关性的关键。它为每个设备提供一个统一的接口，将应用程序对设备的请求转换为具体的设备操作。设备无关性技术静态分配算法在进程开始执行前，预先分配所需的设备资源。这种算法简单，但可能导致设备资源浪费。要点一要点二动态分配算法根据进程的实际需求动态分配设备资源。这种算法能更有效地利用设备资源，但需要更复杂的分配策略。设备分配算法优化单缓冲在设备和处理机之间设置一个缓冲区。当处理机需要数据时，从缓冲区读取；当设备写入数据时，也写入缓冲区。这种方式简单，但可能因处理机和设备速度不匹配而导致数据丢失或等待。双缓冲设置两个缓冲区，一个用于接收设备数据，另一个用于处理机读取数据。这种方式可以减