输入输出系统结构

设备分配算法
• 先请求先服务：按I/O请求的先后顺序，排成 I/O请求命令队列；按FCFS分配设备； • 优先权高者优先：依据进程的优先级，指定 I/O请求的优先级，排成不同优先级队列；按 优先级高低分配设备。对优先权相同的进程， 则按先请求先服务算法分配。
设备分配中的安全性
多进程请求使用I/O设备时，应进行安全性检查，以防止因 相互等待对方进程释放其所占设备而导致死锁。 静态分配法 动态分配法
• I/O操作要经过三级控制 ：第一级由CPU执 行I/O 指令，启动或停止通道，查询通道状 态；第二级是在通道接收CPU的通道命令字 后，由通道执行为其准备的通道程序，向控 制器发命令；第三级由控制器根据通道发出 的命令控制外设完成I/O 操作。
5.2 设备分配
由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问 题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程
设备管理的目标
• 提高各种外部设备的工作效率
• 向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面
（设备的独立性）
• 对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法，
设计一个简练、可靠、易于维护的设备管理系 统。
向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面
方便性： 由于具体物理设备的多样性、复杂性，编制输入 输出程序是相当复杂。由操作系统来负责输入输出工 作，使系统形成一种对“用户友好”的环境。 统一性：
本章的重要概念及相关要求
• 了解设备管理的目标、基本功能； • 通道工作方式：了解通道结构和连接方式 （四级连接、三级控制）； • 设备分配：了解设备分配原则和策略。
二、 设备的简单分类
1. 按所属关系 系统设备 ––– 在o.s生成时已登记于系统中的 标准设备
用户设备 ––– 在o.s生成时未已登记于系统中 的非标准设备
2. 按资源分配角度： 独占设备 ：一次只能分给一个用户使用 共享设备 ： 可供多个作业进程共享 虚拟设备 ： 使用spooling 技术 使独占型设备成为共享设备，从而提高了设备利 用率和系统的效率，这种技术被称为虚拟设备技术， 实现这一技术的硬件和软件系统被称为SPOOLing，或 称为假脱机系统。
5.1 概述
一、 设备：
除cpu及内存以外的所有设备和装置(I/O设备，存储 设备等)。
外部设备：打印机、显示器、光盘、磁盘(硬、软)、 键盘、磁带等 存储设备：用来存放各种信息的设备称为存储设备， 例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等； I/O设备：用来向计算机输入和输出信息的设备，如 键盘、鼠标、显示器、打印机等。 在现代计算机系统中有些设备既可以做存储设备，也 可以做I/O设备，例如，软盘、硬盘等。
对不同设备都使用同一套界面。
设备独立性：
由操作系统实现具体设备的物理I/o操作，用户仅
使用逻辑设备名，这样用户仅与逻辑设备有关，而与具 体的物理设备无关－－设备独立性。 一个程序应该与给定设备类型中的哪一台设备供其
使用无关。 要求用户程序尽可能地与设备类型无关。程序是从
“虚拟设备”上进行操作。
对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法 计算机外部设备种类繁多，特性各异。 主要表现在： （1）速度 （2）传输单位
（3）容许的操作
（4）出错条件
设备管理的基本功能
• 记录系统中所有设备、控制器和通道的状态，
以掌握系统中的I/O设备资源及其使用情况。
－－I/O交通控制程序 • 按一定的算法在诸争用进程间调度和分配设备 －－ I/O调度程序 • 完成实际的I/O操作－－通道执行通道程序
5.3 输入输出系统结构
----I/O控制方式
程序查询方式
I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每 次读写通过CPU。在与外设传输数据时，首先查 询外设的状态，仅当外设准备好时，才在CPU与 外设间传输数据。 缺点：CPU与外设是异步工作的，在外设进行数 据处理时，CPU只能等待。 早期的设备控制方式采用。
设备独立性（物理设备和逻辑设备）
• 逻辑设备：用户程序中所涉及的该类物理设备 特性的抽象； • 目的：实现用户程序与物理设备的无关性 系统规定，在用户程序中不直接使用物理设备名， 而使用逻辑设备名。 优点：改善设备利用率，提高系统的可适应性和 可扩展性。 系统设置一张逻辑设备表LUT,以实现逻辑设备到 物理设备之间的映射。
在大、中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术
System Bus
Processor
Channel Processor
Memory
I/O Bus
I/O Controller
I/O Controller
I/O Controller
I/O Controller
• 现代计算机I/O系统的结构：由通道、控制 器和设备三级组成
程序中断方式
CPU与外设并行操作，仅当外设准备好向CPU传送
数据时，才向CPU发中断请求，请求CPU为其服务。
即转入中断服务程序，进行I／O服务，在主机与外 设间传送数据。 采用这种方式要求控制寄存器中有一个中断位。
优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以
继续执行该程序或其他程序。 缺点：CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字 节），只适于数据传输率较低的设备。
直接存取访问方式(DMA,
Direct Memory Access)
由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址， 传送字节数），然后发起I/O操作，而后者完成内存与外设 的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出 中断。以“窃取”总线周期的方式，在存储器与外设间传 送数据。 优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批 数据读写无需CPU控制，适于高速设备，常用于块设备传 输系统中。缺点：完成简单的数据传输，不能满足复杂I/O
System Bus
Processor
DMA Controller
I/O Con Controller
Memory
通道传送方式(channel) CPU与通道并行工作，由通道实现在存储器与外 设间数据转换与传送。 I/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O 指令的能力，并通过执行通道（I/O）程序来控 制I/O操作。通道只能执行与I/O操作有关的指 令，其指令类型单一；通道没有自己的内存， 即通道与CPU共享内存。
3. 按基本信息单位分： 字符设备 ––– 处理信息以单个字符为单位， 慢(如：打印机) 块设备 ––– 以一组数据为单位 (512 字节 ) ，快 (如：磁盘)
设备管理目的
• 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多
种不同处理速度的外设
• 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备
统一使用方法，协调对设备的并发使用 • 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加 和删除设备，适应新的设备类型
提高各种外部设备的工作效率
并行性： 为了提高设备利用率和系统效率，设备管 理的设计应能使各设备的数据传输与CPU并行运 行，使各设备充分地并行工作。
有效性与均衡性：
由于输入输出操作往往成为计算机系统中的“瓶颈” 部分，因此设备管理设计应尽可能地使设备有效地工作， 考虑各设备忙闲的均衡性，避免忙闲不均现象。
使用外设过程的管理。系统必须有一个合理的设备
分配机制，并且要保证系统的安全性，消除诸进程 竞争资源而导致死锁的现象。 设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁)， 提高设备利用率。
设备分配策略
独占、共享和虚拟设备分配技术
• 设备分类： – 独占设备：打印机等； – 共享设备：磁盘、网卡等； – 虚拟设备 • 分配策略： – 独占方式： • 设备利用率不高，不利于共享 – 共享方式： – 虚拟方式： • 提高系统和I/O设备的利用率，减少进程在运行期 间等待I/O操作的时间。