操作系统输入输出系统os5-1
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操作系统-输入输出系统
其它：时钟，存储映像显示器等
按传输速率分：低速设备，中速设备，高速 设备
按设备的共享方式：独占设备，共享设备， 虚拟设备
3
2. I/O系统
主机I/O系统：使用专门的用于I/O的计算机完成 I/O功能。
微型机I/O系统：I/O设备通过设备控制器连接到 总线上。CPU不直接与I/O设备通信，而是与设 备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。 设备控制器是处理机与设备之间的接口。
控制总线
CPU
数据总线
内存
设备控制器
地址总线
…… 外部设备
4
3. 设备控制器
I/O设备分两个部分：
机械部分：设备本身 电子部件：设备控制器，或适配器，它是处理机与
设备之间的接口，控制设备完成相应的操作。
CPU对设备控制器的控制主要通过读写设备控 制器内对应的寄存器来完成，可以实现对设备 的可编程控制，这是构建操作系统I/O管理系 统的基础。
实现统一命名，即能够使用某个简单的格式，如字 符串或整数，来访问不同的设备。
选择和分配设备
处理专用设备和共享设备
控制数据传输
同步(阻塞)－异步(中断驱动)传输
错误处理
14
I/O软件的层次
I/O软件分为四个层次，自上往 下分别是：
用户层软件(高层) 设备无关软件 设备驱动程序 中断处理程序(底层)
输入、输出缓冲 一个专门的用于维护和操作该目录的进程
打印机
进程SP
spooling目录
输出缓冲区 内存
输出井 磁盘
用户进程
23
6. I/O软件的层次结构
I/O请求 层次
I/O应答 I/O功能
用户进程 进行I/O调用，格式化I/O，spooling
按传输速率分：低速设备，中速设备，高速 设备
按设备的共享方式：独占设备，共享设备， 虚拟设备
3
2. I/O系统
主机I/O系统：使用专门的用于I/O的计算机完成 I/O功能。
微型机I/O系统：I/O设备通过设备控制器连接到 总线上。CPU不直接与I/O设备通信，而是与设 备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。 设备控制器是处理机与设备之间的接口。
控制总线
CPU
数据总线
内存
设备控制器
地址总线
…… 外部设备
4
3. 设备控制器
I/O设备分两个部分：
机械部分：设备本身 电子部件：设备控制器，或适配器，它是处理机与
设备之间的接口，控制设备完成相应的操作。
CPU对设备控制器的控制主要通过读写设备控 制器内对应的寄存器来完成，可以实现对设备 的可编程控制，这是构建操作系统I/O管理系 统的基础。
实现统一命名，即能够使用某个简单的格式，如字 符串或整数，来访问不同的设备。
选择和分配设备
处理专用设备和共享设备
控制数据传输
同步(阻塞)－异步(中断驱动)传输
错误处理
14
I/O软件的层次
I/O软件分为四个层次，自上往 下分别是：
用户层软件(高层) 设备无关软件 设备驱动程序 中断处理程序(底层)
输入、输出缓冲 一个专门的用于维护和操作该目录的进程
打印机
进程SP
spooling目录
输出缓冲区 内存
输出井 磁盘
用户进程
23
6. I/O软件的层次结构
I/O请求 层次
I/O应答 I/O功能
用户进程 进行I/O调用，格式化I/O，spooling
408计组关于输入输出系统的大纲
408计组关于输入输出系统的大纲输入输出系统（I/O系统）是计算机系统的重要组成部分，它负责计算机与外部设备之间的数据传输和通信。
在计算机中，所有的输入输出设备都需要通过输入输出系统进行管理和控制，以实现数据的输入和输出操作。
本文将从I/O系统的概念、功能、结构和工作原理等方面进行介绍和分析。
一、I/O系统的概念1.1 I/O系统的定义I/O系统是计算机系统中用于管理和控制输入输出设备的软硬件系统，它负责实现计算机与外部设备之间的数据传输和通信。
1.2 I/O系统的作用I/O系统的主要作用是提供接口和控制功能，实现计算机与外部设备之间的数据交换和通信。
它通过提供统一的接口和协议，将各种不同类型的外部设备连接到计算机系统中，以实现用户对外部设备的控制和数据交换。
1.3 I/O系统的分类按功能来划分，I/O系统可以分为输入子系统和输出子系统。
输入子系统负责将外部设备传输的数据传输到计算机内存中，输出子系统负责将计算机内存中的数据传输到外部设备中。
二、I/O系统的功能2.1数据传输功能I/O系统负责实现计算机与外部设备之间的数据传输，包括数据的输入和输出操作。
它通过提供标准的数据传输接口和协议，实现了各种外部设备与计算机系统之间的数据交换。
2.2设备管理功能I/O系统还负责管理和控制计算机系统中的各种外部设备，包括设备的初始化、配置、状态检测、错误处理等功能。
通过I/O系统，用户可以方便地对外部设备进行管理和控制。
2.3缓冲管理功能I/O系统还负责对数据进行缓冲管理，以减少数据传输时的延迟和提高数据传输的效率。
它通过建立数据缓冲区，实现了计算机与外部设备之间的异步数据传输。
2.4设备驱动功能I/O系统还包含设备驱动程序，用于控制和管理各种外部设备的硬件和操作系统之间的接口。
它通过设备驱动程序，实现了计算机与外部设备之间的有效通信和数据传输。
三、I/O系统的结构3.1软件结构I/O系统的软件结构包括设备驱动程序、中断处理程序、设备管理程序等。
计算机输入输出系统(I、O系统)概述PPT(53张)
增加：
l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。
3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
二、总线控制方式
研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。
目的：采用何种办法来获得对总线的使用。
类型：<集中控制>总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。
<分布控制>总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。
以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间。
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器的工作方式的 改变而改变，灵活性强。
Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会均等。
②可靠性高，但所需独立线数较多：2+log2n 最长响应延时计算
部件请求到发出代码的延时为一个时钟周期，收到代
码到建立忙电平的延时也为一个时钟周期。设初始计
第三章 输入输出系统（I/O系统）
§1 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。
二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等。
三、I/O系统应面向OS设计
在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。
l=n*(n-1)/2 n=4时， l =6 ； n=5时 l =10 2）非专用总线——即公共总线 总线数少，造价低，总线接口标准化、模块性强，易 于简化和统一接口设计，会出现总线争用，降低效 率。
3 按传递的信息类型分 地址总线AB 数据总线DB 控制总线CB
二、总线控制方式
研究对非专用总线在多个部件同时申请总 线时的裁决控制机构。
目的：采用何种办法来获得对总线的使用。
类型：<集中控制>总线控制逻辑基本上集 中放在一起的裁决控制机构。
<分布控制>总线控制逻辑分散于连到总线 的各个部件中时，称分布控制。
以集中控制为主，要求对各种控制方式 （串行链接、定时查询、独立请求）,能画出 结构示意图，叙述获取总线过程，计算所需独 立线数及最长响应的时间。
3）特点： ①各部件使用总线的优先级可随计数器的工作方式的 改变而改变，灵活性强。
Ⅰ）计数器每次都从0开始计数，低编号部件级别高； Ⅱ）计数器采用循环计数时，各部件机会均等。
②可靠性高，但所需独立线数较多：2+log2n 最长响应延时计算
部件请求到发出代码的延时为一个时钟周期，收到代
码到建立忙电平的延时也为一个时钟周期。设初始计
第三章 输入输出系统（I/O系统）
§1 概述
一、I/O系统组成：包括I/O设备，设备控制器 及与I/O操作有关的软硬件。
二、I/O系统的主要功能：对指定外设进行I/O 操作，同时完成许多其他的控制。 包括：外设编址，数据通路的建立，向主 机提供外设的状态信息等。
三、I/O系统应面向OS设计
在高性能多用户计算机系统中，I/O系统的设 计应是面向OS，考虑怎样在OS与I/O系统之间进 行合理的软、硬件功能分配。
操作系统OS05设备管理
5.1.1 I/O设备 5.1.2 设备设备
1. I/O设备的类型
从OS观点看， I/O设备的重要的性能指标有：设 备使用特性、数据传输速率、数据的传输单位、 设备共享属性等。
2.设备与控制器之间的接口
1. I/O设备的类型
DMA（Direct Memory Access）控制方式的引入
适应一次传送大量数据的应用要求； 尽量减少CPU对高速外设的干预； 基本思想：在外设和主存之间开辟直接的数据交换通
路。
特点
数据传输的基本单位是数据块。 数据从设备直接送入内存，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，整块数据的传送是在控制器的控制下完成 的。
DMA 方式
向I/O控制器 发布读块命令
读DMA控制 器的状态
CPU→DMA CPU做其它事
中断 DMA→CPU
下条指令
DMA控制器的组成
CPU
内存
count
命令
主机－控制器接口 控制器与块设备接口
…
DR MAR DC CR
I/O 控制 逻辑
共享设备 ，指在一段时间内允许多个进程同时访 问的设备，对每一个时刻只允许一个进程访问该 设备。
可寻址，可随机访问（磁盘）
虚拟设备 ，指通过虚拟技术将一台独占设备变为 若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使 用。
2. 设备与控制器之间的接口
设备与CPU之间通过设备控制器通信。
在设备中应含有与设备控制器之间的接口，在该 接口中有三种类型的信号，各对应一条信号线。
PCI总线：支持64位系统，最高传输速率：132Mbps， 能支持10种外设，有一个复杂的管理层，管理层中配 有数据缓冲。
1. I/O设备的类型
从OS观点看， I/O设备的重要的性能指标有：设 备使用特性、数据传输速率、数据的传输单位、 设备共享属性等。
2.设备与控制器之间的接口
1. I/O设备的类型
DMA（Direct Memory Access）控制方式的引入
适应一次传送大量数据的应用要求； 尽量减少CPU对高速外设的干预； 基本思想：在外设和主存之间开辟直接的数据交换通
路。
特点
数据传输的基本单位是数据块。 数据从设备直接送入内存，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，整块数据的传送是在控制器的控制下完成 的。
DMA 方式
向I/O控制器 发布读块命令
读DMA控制 器的状态
CPU→DMA CPU做其它事
中断 DMA→CPU
下条指令
DMA控制器的组成
CPU
内存
count
命令
主机－控制器接口 控制器与块设备接口
…
DR MAR DC CR
I/O 控制 逻辑
共享设备 ，指在一段时间内允许多个进程同时访 问的设备，对每一个时刻只允许一个进程访问该 设备。
可寻址，可随机访问（磁盘）
虚拟设备 ，指通过虚拟技术将一台独占设备变为 若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使 用。
2. 设备与控制器之间的接口
设备与CPU之间通过设备控制器通信。
在设备中应含有与设备控制器之间的接口，在该 接口中有三种类型的信号，各对应一条信号线。
PCI总线：支持64位系统，最高传输速率：132Mbps， 能支持10种外设，有一个复杂的管理层，管理层中配 有数据缓冲。
操作系统输入输出系统os5-2
中断原因分析 I/O请求设备
设备分配程序 唤醒中断 处理程序
I/O控制
缓冲区管理
中断响应
启动I/O指令、设备驱动 程序或通道程序
北京林业大学信息学院
I/O控制的实现
I/O控制过程在系统中可以按三种方式实现
作为请求I/O操作的进程的一部分实现 作为当前进程的一部分实现 I/O控制由专门的系统进程 — I/O进程完成：
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4）通道
通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道 指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移 操作），并可执行用这些指令编写的通道程序
通道运算控制部件
通道地址字 CAW： 记录通道程序在内存中的地址 通道命令字 CCW： 保存正在执行的通道指令 通道状态字 CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字 CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I/O结束时，唤醒设备服务子程 序 执行I/O操作
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（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对I／O数 据进行格式化，为假脱机输入／输出作准备
（2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保 护、成块处理、缓冲技术和设备分配
（3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执 行状态 （4）中断处理程序负责I／O完成时，唤醒设备驱动 程序进程，进行中断处理 （5）硬件层实现物理I／O的操作
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通道连接
通道连接：一个通道可连接多个控制器，一
个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接
主要目的是启动外设时：
提高了控制器效率 提高可靠性 提高并行度
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设备分配程序 唤醒中断 处理程序
I/O控制
缓冲区管理
中断响应
启动I/O指令、设备驱动 程序或通道程序
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I/O控制的实现
I/O控制过程在系统中可以按三种方式实现
作为请求I/O操作的进程的一部分实现 作为当前进程的一部分实现 I/O控制由专门的系统进程 — I/O进程完成：
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4）通道
通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道 指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移 操作），并可执行用这些指令编写的通道程序
通道运算控制部件
通道地址字 CAW： 记录通道程序在内存中的地址 通道命令字 CCW： 保存正在执行的通道指令 通道状态字 CSW： 存放通道执行后的返回结果 通道数据字 CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存，通过周期窃取方式取得
I/O结束时，唤醒设备服务子程 序 执行I/O操作
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（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对I／O数 据进行格式化，为假脱机输入／输出作准备
（2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保 护、成块处理、缓冲技术和设备分配
（3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执 行状态 （4）中断处理程序负责I／O完成时，唤醒设备驱动 程序进程，进行中断处理 （5）硬件层实现物理I／O的操作
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通道连接
通道连接：一个通道可连接多个控制器，一
个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接
主要目的是启动外设时：
提高了控制器效率 提高可靠性 提高并行度
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输入输出系统
输入输出系统输入输出系统输入输出系统是计算机系统中的主机与外部进行通信的系统。
它由外围设备和输入输出控制系统两部分组成，是计算机系统的重要组成部分。
外围设备包括输入设备、输出设备和磁盘存储器、磁带存储器、光盘存储器等。
从某种意义上也可以把磁盘、磁带和光盘等设备看成一种输入输出设备，所以输入输出设备与外围设备这两个名词经常是通用的。
在计算机系统中，通常把处理机和主存储器之外的部分称为输入输出系统，输入输出系统的特点是异步性、实时性和设备无关性。
输入输出系统-原理CPU从信息传输速率来讲，相差也很悬殊。
如果把高速工作的主机同不同速度工作的外围设备相连接，保证主机与外围设备在时间上同步要讨论的外围设备的定时问题。
输入/输出设备同CPU交换数据的过程：输入过程：(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，这一步将选择某一输入设备；(2)CPU等候输入设备的数据成为有效；(3)CPU从数据总线读入数据，并放在一个相应的寄存器中。
输出过程：(1)CPU把一个地址值放在地址总线上，选择输出设备；(2)CPU把数据放在数据总线上；(3)输出设备认为数据有效，从而把数据取走。
输入输出系统-定时方式网络模型由于输入/输出设备本身的速度差异很大，因此，对于不同速度的外围设备，需要有不同的定时方式，总的说来，CPU与外围设备之间的定时，有以下三种情况。
1.速度极慢或简单的外围设备对这类设备，如机械开关、显示二极管等等，CPU 总是能足够快地作出响应。
换句话说，对机械开关来讲，CPU可以认为输入的数据一直有效，因为机械开关的动作相对CPU的速度来讲是非常慢的，对显示二极管来讲，CPU可以认为输出一定准备就绪，因为只要给出数据，显示二极管就能进行显示，所以，在这种情况下，CPU只要接收或发送数据就可以了。
2.慢速或中速的外围设备由于这类设备的速度和CPU的速度并不在一个数量级，或者由于设备(如键盘)本身是在不规则时间间隔下操作的，因此，CPU与这类设备之间的数据交换通常采用异步定时方式。
输入_出系统
7
外部设备的分类
从功能行为来分，外设分为： ➢ 输入/输出设备（大部分为字符型设备） 用于信息的输入/输出 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：打印机、显示器等 ➢ 外部存储设备（大部分为成块传送设备） 用于信息的存储（其输入/出的信息是机器可读的） 如：磁盘、磁带、光盘等
8
外部设备的通用模型
I/O设备的寻址实际上是对 “I/O端口” 的寻址。
❖ 对I/O端口写可认为是向I/O设备送出命令或数据 ❖ 从I/O端口读可认为是从设备取得数据或状态 ❖ 一个I/O接口(如显卡)可能会占有多个端口地址
22
I/O端口的编址方式
（1）统一编址方式 与主存地址空间统一编址。即：将主存地址的编号分出一 部分给I/O端口。 因为这种方法将I/O端口映射到主存空间的某个地址上， 所以，也被称为“存储器映射方式”。 例如，MIPS、Motorola处理器就采用该方案。
29
程序直接控制方式
程序查询方式的接口电路
B：控制端口（启动命令）
⑥
数据线
数据缓冲寄存器
③
数据输入
准备就绪 ⑤ 启动命令 ①
（2）独立编址方式 不和主存单元一起编号，而是对所有I/O端口单独进行编 号，使它们成为一个独立的I/O地址空间。 例如，Intel、Zilog公司的处理器就是独立编址方式。
23
I/O端口的编址方式
举例-Intel处理器的I/O端口编址方式
➢ 独立编址方式，I/O地址空间由216个8位端口组成。 ➢ 虽然具有64K字节的寻址空间，但一般只使用其中1K字节
27
程序直接控制方式
外设和主机需要进行数据传送，如何控制进行数据传送呢？
➢ 键盘、鼠标等输入设备如何输入数据到主机？ ➢ 主机如何输出数据到显示器、打印机等输出设备？
外部设备的分类
从功能行为来分，外设分为： ➢ 输入/输出设备（大部分为字符型设备） 用于信息的输入/输出 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪等 输出设备：打印机、显示器等 ➢ 外部存储设备（大部分为成块传送设备） 用于信息的存储（其输入/出的信息是机器可读的） 如：磁盘、磁带、光盘等
8
外部设备的通用模型
I/O设备的寻址实际上是对 “I/O端口” 的寻址。
❖ 对I/O端口写可认为是向I/O设备送出命令或数据 ❖ 从I/O端口读可认为是从设备取得数据或状态 ❖ 一个I/O接口(如显卡)可能会占有多个端口地址
22
I/O端口的编址方式
（1）统一编址方式 与主存地址空间统一编址。即：将主存地址的编号分出一 部分给I/O端口。 因为这种方法将I/O端口映射到主存空间的某个地址上， 所以，也被称为“存储器映射方式”。 例如，MIPS、Motorola处理器就采用该方案。
29
程序直接控制方式
程序查询方式的接口电路
B：控制端口（启动命令）
⑥
数据线
数据缓冲寄存器
③
数据输入
准备就绪 ⑤ 启动命令 ①
（2）独立编址方式 不和主存单元一起编号，而是对所有I/O端口单独进行编 号，使它们成为一个独立的I/O地址空间。 例如，Intel、Zilog公司的处理器就是独立编址方式。
23
I/O端口的编址方式
举例-Intel处理器的I/O端口编址方式
➢ 独立编址方式，I/O地址空间由216个8位端口组成。 ➢ 虽然具有64K字节的寻址空间，但一般只使用其中1K字节
27
程序直接控制方式
外设和主机需要进行数据传送，如何控制进行数据传送呢？
➢ 键盘、鼠标等输入设备如何输入数据到主机？ ➢ 主机如何输出数据到显示器、打印机等输出设备？
输入输出系统
12.08.2020
9
6.1 I/O系统的硬件结构
时钟软件的任务： 维护日期和时间； 防止进程运行时间超过允许界限； 对CPU使用进行记账； 处理用户进程提出的时间闹钟系统调用； 对系统某些部分提供监视定时器； 支持直方图监视和统计信息搜索。
12.08.2020
10
6.1 I/O系统的硬件结构
12.08.2020
12
6.1 I/O系统的硬件结构
例 MS-DOS中，系统配置文件config.sys中，使用DEVICE 命令把特定的设备驱动程序安装，格式为：
DEVICE＝C:\CD-ROM\IDE\SONYIDE.SYS
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6.1 I/O系统的硬件结构
3.按资源分配角度分类
独占设备：一段时间内只允许一个用户使用的设备， 一旦分配给某个进程使用，就为其独占，直到运行 完成，才释放给OS。否则，不能保证信息的完整和 连续性。是排它性使用。
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6.1 I/O系统的硬件结构
4.按传输数据数量分类
字符设备。每次传输数据以字节为单位的设备称为 字符设备，如打印机、终端、键盘等；
块设备。以数据块为单位进行传输的设备称为块设 备，如磁盘、磁带等高速外存储器等。
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6.1 I/O系统的硬件结构
6.1.2 I/O设备的物理特性
作的能力不仅影响计算机的通用性和可扩充性，而且也成为计
算机系统的综合处理能力和性能价格比的重要因素。
1.I/O控制方式
（1）循环I/O测试方式。循环I/O测试方式是一种用程序直接控 制I/O操作的方式。计算机的I/O测试指令，通过测试一台设 备的忙/闲标志，决定主存和外设之间是否要传输一个字符或 一个字。这种方式下，中央处理机花费大量时间在等待输入、 输出的循环检测上。
计算机组成原理9章：输入输出系统
三、直接存储器存取方式（DMA） 1、基本概念 DMA是一种完全由硬件实现的I/O信息交换方式。是在I/O设备与主存 之间建立一条直接传送数据的通路，并在有关硬件电路（ＤＭＡＣ）的 控制下进行数据交换，而不需CPU干预。 在正常工作时，所有工作周期都用于执行CPU的程序，当外设将要 传输的数据准备好后，占用总线一个工作周期和知己交换一个单位数据， 这个周期过后，CPU继续控制总线，执行原程序。如此重复，直至整个 数据块传送完毕。 ２、DMA的工作方式（访内冲突的处理） DMA技术的出现，使得外设可以通过DMA控制器直接访问内存，此 时，CPU可以继续执行原程序，CPU继续执行程序时要要访问内存， DMA传送时也要访问内存，这样就会出现访问内存冲突。如何处理？
3、DMA接口的组成及功能 （1）功能：指挥某台I/O设备完成操作；指出被传送信息在主存的首地址；指 出要传送的字节数。 （2）组成 ①IOCR：I/O控制寄存器，来自CPU的命令码，设备码，来自I/O设备的状态字。 ②IOAR：I/O地址寄存器，要交换信息在内存的首地址，自动加1 ③WC：字计数器，存放要成批交换的数据的个数，自动减1 ④IOIR：准备与内存交换的信息 ⑤BC：字节计数器，一次只能传送一个字节时用。 ⑥控制逻辑 以上各部分组成DMAC 4、DMA工作过程 （1）I/O指令→IOCR,命令码启动DMA，设备码选中所需设备 （2）DMA启动后，赋初值：内存首址→IOCR，交换字数→WC (字节→BC)， 有关状态及控制信息→DMA （3）被启动的设备准备就绪，向CPU发DMA请求，CPU响应，便交换数据。 （4）从I/O接口输入一数据（从内存输出一数据）到IOIR，IOARMAR， IOIR→MIR ,完成一个数据的传送，同时修改IOAR和WC（BC） （5）又一数据从I/O接口（从内存）→IOIR，重复（4），直到所有数据传送 完毕。
计算机组成与结构PPT课件(全)第10章输入输出系统
C。现在不少打印机,扫描仪和数字相 RS一232-C是______ 机等设备都通过 USB 接口与主机相连,它是_______, A 此 类应用中的传送速率可达_______ C 。它支持______ C通信, 并完全支持________ D。 (51):A.Modem专用接口 B.打印机接口 C.通用串 行数据接口 D.通用并行数据接口 (52):A.通用串行总线 B.通用并行总线 C.SCSI接 口 D.通用卡式接口 (53):A.56Kbps B.1.5Mbps C.12Mbps D.100Mbps (54):A.同步方式 B.异步方式 C.同步或 异步方式 D.数据压缩方式 (55):A.模拟信号输入、输出 B.局域网接口 C.无驱动 程序工作方式 D.即插即用技术
1.1 I/O设备的编址及I/O接口基本功能
1、 I/O接口功能 2、接口基本组成 3、 I/O设备编址 4、寻址方式 5、 I/O接口类型
1、 I/O接口功能 （1）进行地址译码和设备选择 当CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对 地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能
（2）实现数据缓冲和锁存 在输入过程中，先将数据送入数据缓冲寄 存器中，然后再送到输出设备或主机中去；在 输出时，先将数据送入锁存器。 （3）数据格式的变换 CPU出来的数据是并行的二进制信号，外 设有的是串行或模拟信号。 （4）传递控制命令和状态信息
5、 I/O接口类型
（1）按数据传送的宽度可分为并行 接口和串行接口。 并行接口中，外设和接口之间是按 字节或字来传送数据；串行接口中，外 设与接口之间是一位一位来传送数据。 （2）按功能选择的灵活性分为可编 程接口和不可编程接口。 （3）按通用性可分为通用接口与专 用接口。
2001 程序员试题
1.1 I/O设备的编址及I/O接口基本功能
1、 I/O接口功能 2、接口基本组成 3、 I/O设备编址 4、寻址方式 5、 I/O接口类型
1、 I/O接口功能 （1）进行地址译码和设备选择 当CPU送来选择外设的地址码后，接口必须对 地址进行译码以产生设备选择信息，使主机能
（2）实现数据缓冲和锁存 在输入过程中，先将数据送入数据缓冲寄 存器中，然后再送到输出设备或主机中去；在 输出时，先将数据送入锁存器。 （3）数据格式的变换 CPU出来的数据是并行的二进制信号，外 设有的是串行或模拟信号。 （4）传递控制命令和状态信息
5、 I/O接口类型
（1）按数据传送的宽度可分为并行 接口和串行接口。 并行接口中，外设和接口之间是按 字节或字来传送数据；串行接口中，外 设与接口之间是一位一位来传送数据。 （2）按功能选择的灵活性分为可编 程接口和不可编程接口。 （3）按通用性可分为通用接口与专 用接口。
2001 程序员试题
输入输出系统概述
1 输入输出系统概述
1 I/O设备的编址及设备控制器的功能 1.什么是接口？ 答：接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑
控制部件，也称I/O控制器。 2.两种I/O设备的编址方式
统一编址方式 独立编址方式
Computer System Organization and Architecture
数据传送配合方式 按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接 口，程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA) 接口等。
Computer System Organization and Architecture
7
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输入输出接口的编址方式
1）统一编址方式 (存储器对应I/O方式)
端口统一编址是把每一个端口视为一个存储 器单元，并赋以相应的存储器地址。微处理机 访问端口，如同访问存储器（只是地址不同）， 所有访问存储器指令同样适合于I/O端口。由于 端口地址被映象到存储空间，作为存储空间的 一小部分，因此，也称为“存储器映象编址”。
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2）独立编址方式 (专用I/O方式)
端口独立编址是把所有I/O接口看作一个独立 于存储的I/O空间。在这个I/O空间内，每个 端口都被分配一个地址与之对应。要访问独 立于存储空间的端口，必须用专门的I/O指令 （IN和OUT）。
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程序员试题
若某个计算机系统中，内存地址与I/O地址统一编 址，访问内存单元和I/O是靠___B__来区分。
A.数据总线上输出的数据 B.不同的地址代码 C.内存与I/O使用不同的地址总线 D.不同的指令
1 I/O设备的编址及设备控制器的功能 1.什么是接口？ 答：接口是计算机与I/O设备或其他系统之间所设置的逻辑
控制部件，也称I/O控制器。 2.两种I/O设备的编址方式
统一编址方式 独立编址方式
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数据传送配合方式 按照数据传送的控制方式可分成程序控制输入输出接 口，程序中断输入输出接口和直接存储器存取(DMA) 接口等。
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输入输出接口的编址方式
1）统一编址方式 (存储器对应I/O方式)
端口统一编址是把每一个端口视为一个存储 器单元，并赋以相应的存储器地址。微处理机 访问端口，如同访问存储器（只是地址不同）， 所有访问存储器指令同样适合于I/O端口。由于 端口地址被映象到存储空间，作为存储空间的 一小部分，因此，也称为“存储器映象编址”。
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2）独立编址方式 (专用I/O方式)
端口独立编址是把所有I/O接口看作一个独立 于存储的I/O空间。在这个I/O空间内，每个 端口都被分配一个地址与之对应。要访问独 立于存储空间的端口，必须用专门的I/O指令 （IN和OUT）。
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程序员试题
若某个计算机系统中，内存地址与I/O地址统一编 址，访问内存单元和I/O是靠___B__来区分。
A.数据总线上输出的数据 B.不同的地址代码 C.内存与I/O使用不同的地址总线 D.不同的指令
os操作系统
CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源
利用率及吞吐量。例如，从终端输入一个字符的时间约为100
ms， 而将字符送入终端缓冲区的时间小于 0.1 ms。 若采用程
序I/O方式，CPU约有 99.9 ms的时间处于忙—等待中。 采用中
断驱动方式后，CPU可利用这 99.9 ms的时间去做其它事情，
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5.2 I/O控制方式
5.2.1 程序I/O方式
在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速 性， 致使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。在该方式中， CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是因为在CPU 中无中断机构， 使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个 字符的输入操作。
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2. 设备控制器的组成
CP U与控制器接口
数据 线 地址 线
数据 寄存器
控制 /状态 寄存 器
控制 线
I/ O逻辑
… …
控 制 器与 设 备 接口
控制 器 与设 备 接口 1
数据 状态 控制
控制 器 与设 备 接口i
数据 状态 控制
图 5-2 设备控制器的组成
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5.1.3 I/O通道
1. I/O通道(I/O Channel)设备的引入
5.1 I/O 系 统
5.1.1 I/O设备
1. I/O设备的类型 1)
按传输速度的高低，可将I/O设备分为三类。第一类是低速
设备，这是指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。属于低速设备的典型设备有键盘、 鼠标器、语音的
输入和输出等设备。第二类是中速设备，这是指其传输速率在
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通道分类
数据选择通道
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。 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备。
I/O性能经常成为系统性能的瓶颈
CPU性能不等于系统性能：响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的进程 进程切换多，系统开销大
操作系统庞大复杂的原因之一：资源多、杂，并 发，均来自I/O
外设种类繁多，结构各异
输入输出数据信号类型不同
速度差异很大
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设备的分类（续3） 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）
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通道又称为I同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行 度
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CPU
内存
总线
字节多路 通道 终端 终端 I/O控制器 I/O控制器
选择通道
数组多路 通道 磁带 I/O控制器 磁盘
I/O控制器
终端
I/O控制器
通过若干接口寄存器或接口缓冲区与CPU通信
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设备控制器通常由以下三部分组成：
(1) 设备控制器与CPU的接口。该接口用于 实现设备控制器与CPU之间的通信。在该接口中有 三类信号线：数据线、地址线、 控制线。 数据线 通常与两类寄存器相连接： ① 数据寄存器。设备控制器中可以有一个 或多个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据 (输入)或从CPU送来的数据(输出)。 ② 控制/状态寄存器。在控制器中同样可以 有一个或多个控制/状态寄存器，用于存放从CPU送 来的控制信息或由设备产生的状态信息。
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4.存储器直接存取(DMA)设备
start
CPU
int I/O设备 DMA控制器 内存 数据
中断位
启动位
控制状态寄存器 数据缓冲寄存器 传送字节数寄存器 内存地址寄存器 DMA方式的传送结构
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(2) 设备控制器与设备的接口。控制器卡上通常有 一个插座，通过电缆与设备相连。 控制器和设备之 间的接口是一个标准接口，它符合ANSI、IEEE或ISO 这样的国际标准。在一个设备控制器上， 可以连接 一台或多台设备。相应地，在控制器中就有一个或多 个设备接口， 在每个接口中都有数据、 控制和状态 三种类型的信号。 ① 数据信号。② 控制信号。 ③ 状态信号。 (3) I/O逻辑。
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扇区
磁臂
柱面
磁头
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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：
寻道（时间）：磁头移动定位到指定磁道 旋转延迟（时间）：等待指定扇区从磁头下旋转经过 数据传输（时间）：数据在磁盘与内存之间的实际传输
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块设备
（1）顺序存取存储设备：磁带 永久保存大容量数据 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 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i块 间隙 第i+1块
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块设备
（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 扇区 磁道
I/O控制器
磁带
I/O控制器
磁盘
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通道分类
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.
设备的分类（续4）
（4）从数据传输率角度分
低速设备
指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、语音的输入和输出等设备。
中速设备
指其传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节的一类设备。 如行式打印机、激光打印机等。
高速设备
指其传输速率在数百万个字节至数十兆字节的一类设备。如 磁带机、 磁盘机、 光盘机等。
1.设备的分类
（1）按功能特性分 存储型设备
磁带机、磁盘机等外存设备
输入输出型设备（交互型设备）
键盘、图形输入仪、鼠标 显示器、打印机等
数据通信设备
通用终端、专用终端等
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设备的分类（续1）
（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
一、引言
设备管理的主要任务
1) 选择和分配设备以便进行数据传输操作；
2) 控制设备和CPU(或内存)之间交换数据；
3) 为用户提供一个友好的透明接口；
4) 提高设备和设备之间、CPU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 获得最佳效率。
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设备管理程序提供的功能
为进程管理提供接口（将进程的请求转给设 备管理）
实施设备分配（设备分类、调度算法、等待 队列）
实现设备之间以及设备与CPU之间并行操作 （DMA、通道）
缓冲区管理
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设备管理的两个阶段
接收用户提出的I/O请求阶段 响应设备中断请求阶段
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二、输入/输出硬件
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块设备
（3）完全直接存取存储设备： 半导体随机存取存储器
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设备的分类（续2）
（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）
第5章 输入/输出系统
输入输出设备 设备控制器 输入/输出硬件 通道 存储器直接存取(DMA)设备
数据传送控制方式 中断 设备驱动程序 与设备无关的I/O软件 设备分配 缓冲
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输入/输出软件
操作系统
进程与资 源管理
文件管理
存储管理
设备管理
处理机
主存
设备
计算机硬件
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2.设备控制器
I／O设备一般由机械和电子两部分组
成
把这两部分分开处理，以提供更加模
块化更加通用的设计
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（1）物理设备 机械部分是设备本身（物理装置） （2）设备控制器
电子部分叫做设备控制器或适配器
完成设备与主机间的连接和通信
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
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选择通道
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通道分类
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
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CPU与控制器接口 数据线
控 制 器 与 设备接 口 控制器 与设备 接口 1
…
数据寄存器 控制/状态 寄存器
数据 状态 控制
地址线 I/O逻辑
…
控制线
控制器 与设备 接口 i
数据 状态 控制
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3.通道
独立于中央处理器，专门负责数据I/O传输的
处理机
–它对外设实现统一 –代替CPU对I/O操作进行控制 –使CPU和外设可以并行工作