操作系统概念 第九章：I、O设备管理
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7
设备管理的目标、任务和功能
设备管理的功能： 1.提供一组统一的且独立于设备的I/O命令，以 便用户进程能够在程序一级发出所需要的I/O请 求，这就是用户使用外部设备的“界面”； 2.进行设备的分配与回收； 3.对缓冲区管理； 4.实现真正的I/O操作； 5.处理外部设备的中断。
A 1 A 2 A 3 „子通道 A B1 B2 B3 „子通道 B 设备 控制器A 控制器B 控制器C 控制器D N1 N2 N3 „子通道 N
„
A 1 B1 C1 „A 2 B2 C2 …
C1 C2 C3 „子通道 C
控制器N
字节多路通道的工作原理
27
I/O通道
2.数组选择通道： 字节多路通道不适于连接高速设备，推动了按数组方 式进行数据传送的数组选择通道的形成。 连接多个高速设备，仅一个分配型的通道，在一段时 间内只能执行一道通道程序，某时间由某设备独占。 在一个时段内通道被某设备独占，即使没有数据传送 也无法共享通道，利用率低。 3.数组多路通道： 将数组选择通道的高速和字节多路通道的分时并行结 合起来的一种新通道； 多子通道不是以时间片方式，而是“按需分配”，综 合了前面2种通道类型的优点。
单通路I/O系统
多通路I/O系统 29
I/O控制方式
四个发展阶段： 程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制 。 趋势：提高并行度。
30
程序I/O
主机与控制器之间的交互过程 1. 主机不断地读取忙位，直到该位被清除 (这个过程称为
2.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3. 4. 5.
6.
轮询，亦称忙等待-busy waiting) 主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器中写 入一个字节。 主机设置命令就绪位 当控制器注意到命令就绪位已被设置，则设置忙位。 控制器读取命令寄存器，并看到写入命令。它从数据输 出寄存器中读取一个字节，并向设备执行I/O操作。 控制器清除命令就绪位，清除状态寄存器的故障位以表 示设备I/O成功，清除忙位以表示完成。
I/O设备 至设备 控制器 数据信号线 状态信号线 控制逻辑 控制信号线 缓冲 转换器 信号 数据
三种信号：
（1）数据信号：双向，有缓存 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作 （3）状态信号：设备发给控制器，控制器“显示”状态 信号（ready, busy, error „等等 ）；
地址线
设备
I/O逻辑 控制线
控制器 与设备 接口i
„
数据 状态 控制
21
„
设备与控制器之间的通信
处理器与控制器打交道，而非设备本身。 CPU通过读写设备控制器的寄存器位组合
与设备控制器通信。
使用特殊I/O指令，向特定设备地址传输字 节或者字； 内存映射I/O，设备控制器寄存器映射到处 理器地址空间，处理器通过标准数据传输指 令完成对设备控制器的读写。
（2）按信息交换单位分：
块设备——用于存储信息，信息的存取以数据 块为单位。
存取可寻址，属于有结构设备，如磁盘； 传输速率较高；常采用DMA方式
字符设备——用于数据的输入和输出，基本单 位是字符。
属于无结构设备，不可寻址，如打印机。 特征：传输速率较低；采用中断驱动方式。
10
I/O设备类型
24
微型计算机总线的种类和发展
USB - Universal 1394 - Bus，1394，(FireWire）火线 Serial IEEE …... 通用串行总线
SCSI总线
USB总线
1394总线
PCI总线 VESA总线
VESA – Video Electronic Standard EISA总线 Association， 视频电子标准协会 EISA – Extended ISA ，扩展ISA 32位，可达132Mb/s MCA总线 带宽32位，速率32Mb/s MCA – Micro Chanel Architecture， 微通道结构 ISA总线 ISA –Industry Standard Architecture 工业标准体系结构。原带宽8位， PC／XT总线 2Mb/s速率，后为16位，16Mb/s速率 25
操作系统概念
第九章：I/O设备管理
本章主要内容
第一节：概述
设备管理目标、任务和功能 I/O系统概念
设备控制器、端口、总线、通道 I/O控制方式 分层结构、I/O子系统 缓冲管理、设备分配、设备无关性 磁盘结构 磁盘调度 RAID结构
2
第二节： I/O系统硬件
第三节： I/O系统软件
8
I/O系统
I/O系统的组成 I/O系统是实现数据输入、输出及数据存储的系统 包括实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应 设备控制器； 在有些大型系统中，还有I/O通道或I/O处理机，设 备管理的对象主要是I/O设备，还可能涉及设备控 制器和I/O通道。
OS庞大、复杂主要源于I/O系统
11
I/O设备类型
（4）按访问方式分
顺序：顺序设备按其故有的固定顺序来传输数据；例如
磁带 随机访问：随机访问设备的用户可以让设备寻找到任一 数据存储位置。例如磁盘
（5）按同步属性
同步：同步设备按一定响应时间来进行数据传输，例如磁
带
异步：而异步设备呈现的是无规则或不可预测的响应时 间。例如磁盘 读写、只读、只写：有的设备能读能写，例如磁盘，而其 他的只支持单向数据操作。例如光盘、显示器
22
总线
总线：是一组线和一组严格定义的可以描述在线
上传输信息的协议。 总线性能是用时钟频率、带宽和相应的总线传输 速率来衡量。
多数PC的CPU和控制器之间的通信采用单总线模型
，CPU直接控制设备控制器进行I/O； 而大型主机则采用多总线结构和通道方式，以提 高CPU与输入输出的并行程度。
外设种类繁多，结构各异
存储设备（磁盘、磁带） 传输设备（网卡、Modem） 人机交互设备（显示器、键盘、鼠标）
输入输出数据信号类型不同 速度差异很大
9
I/O设备类型
（1）按速度分：
低速设备——几个～数百个 B/S ，如键盘、鼠标 中速设备——数K～数十KB/S ，如打印机 高速设备——数百K～数MB/S ，如光盘、磁盘
23
一个典型的PC总线结构
SCSI -Small Computer System SCSI设备控制器的智能化I/O控制 Interface， 小型计算机系统接口 降低了计算机系统的负担，使计算 机系统具有更高的I/O能力。
PCI – Peripheral Component Interface，外设组件互联 支持64位系统，它在CPU和外设 之间加了一层复杂的管理系统， 用于协调数据传输和提供一致的 接口。能适应高频率的CPU。
17
设备控制器
设备控制器: I/O设备包括一个机械部件和一个电
子部件。机械部件则是设备本身，而电子部件称 为设备控制器或适配器。
在微机和小型机中，它通常是一块可插入主板扩
展槽的印刷电路板，也叫接口。它是CPU与I/O设 备之间的硬件接口，它接收从CPU发来的命令，并 去控制一个或多个设备。
（3）按设备的共享属性分： 独占：一段时间内只允许一个用户（进程）访 问的设备。
临界资源，使用时有排它性，例如打印机
共享：一段时间内允许多个进程同时访问的设 备。例如磁盘。 虚拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若 干台逻辑设备。提高设备的利用率
例：SPOOLing技术，通过共享设备来模拟独占型设 备的动作
上层用户程序（应用层）
操作系统 I/O软件管理 I/O硬件管理 底层硬件设备（物理层） 用户进程
设备无关程序
设备驱动程序 中断处理程序 设备 控制器
状态寄存器 命令寄存器 数据寄存器
键盘
15
第二节：I/O系统硬件
设备与控制器之间的接口
通常设备不与CPU直接通信，而是通过设备控制器
CPU―――设备控制器―――设备
18
个人计算机中的设备I/O端口位置
控制器：用于操作端口、总线或设备的一组电子器件。
19
设备控制器功能
（1）接收和识别命令：设备控制器应能接收和识别CPU发来
的命令，由于命令可能带有参数，所以控制器应设有寄存器 （当然必须要有命令译码器）。 （2）数据交换：控制器设有数据寄存器用于双向数据交换 。 （3）标识和报告设备状态：控制器设有状态寄存器，用于 记录设备状态，供CPU使用。 （4）地址识别：CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器 应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。控制 器应配有地址译码器。 （5）数据缓冲：由于CPU和设备间速度不匹配，所以控制器 应具有缓冲功能。 （6）差错控制：对I/O设备送来的数据进行差错检测，并向 CPU报告。
20
设备控制器组成
各类寄存器：数据、命令及译码器、状态 信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线
及地址译码器、控制线 I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。
CPU与控制器接口 控制器与设备接口 数据 状态 控制
数据线
数据寄存器 控制/状态 寄存器
控制器 与设备 接口1
CPU
28
I/O通道
三、通道“瓶颈”问题：
由于通道不足制约了I/O速度
解决：采用复联方式
设备1 控制器1 通道1 控制器2 存储器 控制器3 通道2 控制器4 设备2 设备3 设备4 设备5 设备6 设备7
I/O设备 通道1 存储器 I/O设备 通道2 控制器2 I/O设备 控制器1 I/O设备
方便性 友好界面 透明性
5
设备管理的目标、任务和功能
（3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）
提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力 ，充分利用资源，提高资源利用率 并行性
设备管理的设计应能使各设备的数据传输与CPU运 行能高度重叠，使各设备充分地并行工作。
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。
I/O通道
一、引入 通道 一种特殊的执行I/O指令的处理机，但指令 类型单一，硬件较简单，与CPU共享内存， 可以有自己的总线。 引入目的
解脱CPU对I/O的组织、管理。
CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内 存中的相应通道程序完成任务。
26
I/O通道
二、类型
1.字节多路通道 各子通道以字节为单位以时间片轮转方式共享通道， 适用于低、中速设备。
4
设备管理的目标、任务和功能
设备管理的目标：
提高外部设备的利用率； 为用户提供便利、统一的使用界面；
设备管理的任务：
（1）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O 设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设 备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成 用户的I/O请求 （2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱 繁琐的编程负担 -- 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细 节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O设备的差异性 ）
第四节：磁盘存储器的管理
第一节：概述
与计算机相连的设备在许多方面都呈现出
不同。它们速度差异很大。在许多方面它 们总是计算机中最慢的部分。 设备管理可能是操作系统设计中最凌乱的 部分。 操作系统的关键目标之一就是向系统的其 他部分提供尽可能简单的接口。对于I/O， 最关键的问题是性能。
12
（6）按访问属性
I/O设备类型
13
I/O系统
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 弥补：更多的并发进程；但进程切换多，系统开销大
CPU性能越高，与I/O差距越大
与其他功能联系密切，特别是文件系统和磁盘存
储系统
14
I/O设备管理系统结构图
均衡性（使设备充分忙碌）
6
设备管理的目标、任务和功能
（4）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使 用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使 系统能有条不紊的工作
（5）保护
设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破 坏的、保密的
（6）设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现 从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。这样 ，用户能独立于具体物理设备而方便地使用设备
设备管理的目标、任务和功能
设备管理的功能： 1.提供一组统一的且独立于设备的I/O命令，以 便用户进程能够在程序一级发出所需要的I/O请 求，这就是用户使用外部设备的“界面”； 2.进行设备的分配与回收； 3.对缓冲区管理； 4.实现真正的I/O操作； 5.处理外部设备的中断。
A 1 A 2 A 3 „子通道 A B1 B2 B3 „子通道 B 设备 控制器A 控制器B 控制器C 控制器D N1 N2 N3 „子通道 N
„
A 1 B1 C1 „A 2 B2 C2 …
C1 C2 C3 „子通道 C
控制器N
字节多路通道的工作原理
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I/O通道
2.数组选择通道： 字节多路通道不适于连接高速设备，推动了按数组方 式进行数据传送的数组选择通道的形成。 连接多个高速设备，仅一个分配型的通道，在一段时 间内只能执行一道通道程序，某时间由某设备独占。 在一个时段内通道被某设备独占，即使没有数据传送 也无法共享通道，利用率低。 3.数组多路通道： 将数组选择通道的高速和字节多路通道的分时并行结 合起来的一种新通道； 多子通道不是以时间片方式，而是“按需分配”，综 合了前面2种通道类型的优点。
单通路I/O系统
多通路I/O系统 29
I/O控制方式
四个发展阶段： 程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制 。 趋势：提高并行度。
30
程序I/O
主机与控制器之间的交互过程 1. 主机不断地读取忙位，直到该位被清除 (这个过程称为
2.
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
3. 4. 5.
6.
轮询，亦称忙等待-busy waiting) 主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器中写 入一个字节。 主机设置命令就绪位 当控制器注意到命令就绪位已被设置，则设置忙位。 控制器读取命令寄存器，并看到写入命令。它从数据输 出寄存器中读取一个字节，并向设备执行I/O操作。 控制器清除命令就绪位，清除状态寄存器的故障位以表 示设备I/O成功，清除忙位以表示完成。
I/O设备 至设备 控制器 数据信号线 状态信号线 控制逻辑 控制信号线 缓冲 转换器 信号 数据
三种信号：
（1）数据信号：双向，有缓存 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作 （3）状态信号：设备发给控制器，控制器“显示”状态 信号（ready, busy, error „等等 ）；
地址线
设备
I/O逻辑 控制线
控制器 与设备 接口i
„
数据 状态 控制
21
„
设备与控制器之间的通信
处理器与控制器打交道，而非设备本身。 CPU通过读写设备控制器的寄存器位组合
与设备控制器通信。
使用特殊I/O指令，向特定设备地址传输字 节或者字； 内存映射I/O，设备控制器寄存器映射到处 理器地址空间，处理器通过标准数据传输指 令完成对设备控制器的读写。
（2）按信息交换单位分：
块设备——用于存储信息，信息的存取以数据 块为单位。
存取可寻址，属于有结构设备，如磁盘； 传输速率较高；常采用DMA方式
字符设备——用于数据的输入和输出，基本单 位是字符。
属于无结构设备，不可寻址，如打印机。 特征：传输速率较低；采用中断驱动方式。
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I/O设备类型
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微型计算机总线的种类和发展
USB - Universal 1394 - Bus，1394，(FireWire）火线 Serial IEEE …... 通用串行总线
SCSI总线
USB总线
1394总线
PCI总线 VESA总线
VESA – Video Electronic Standard EISA总线 Association， 视频电子标准协会 EISA – Extended ISA ，扩展ISA 32位，可达132Mb/s MCA总线 带宽32位，速率32Mb/s MCA – Micro Chanel Architecture， 微通道结构 ISA总线 ISA –Industry Standard Architecture 工业标准体系结构。原带宽8位， PC／XT总线 2Mb/s速率，后为16位，16Mb/s速率 25
操作系统概念
第九章：I/O设备管理
本章主要内容
第一节：概述
设备管理目标、任务和功能 I/O系统概念
设备控制器、端口、总线、通道 I/O控制方式 分层结构、I/O子系统 缓冲管理、设备分配、设备无关性 磁盘结构 磁盘调度 RAID结构
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第二节： I/O系统硬件
第三节： I/O系统软件
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I/O系统
I/O系统的组成 I/O系统是实现数据输入、输出及数据存储的系统 包括实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应 设备控制器； 在有些大型系统中，还有I/O通道或I/O处理机，设 备管理的对象主要是I/O设备，还可能涉及设备控 制器和I/O通道。
OS庞大、复杂主要源于I/O系统
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I/O设备类型
（4）按访问方式分
顺序：顺序设备按其故有的固定顺序来传输数据；例如
磁带 随机访问：随机访问设备的用户可以让设备寻找到任一 数据存储位置。例如磁盘
（5）按同步属性
同步：同步设备按一定响应时间来进行数据传输，例如磁
带
异步：而异步设备呈现的是无规则或不可预测的响应时 间。例如磁盘 读写、只读、只写：有的设备能读能写，例如磁盘，而其 他的只支持单向数据操作。例如光盘、显示器
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总线
总线：是一组线和一组严格定义的可以描述在线
上传输信息的协议。 总线性能是用时钟频率、带宽和相应的总线传输 速率来衡量。
多数PC的CPU和控制器之间的通信采用单总线模型
，CPU直接控制设备控制器进行I/O； 而大型主机则采用多总线结构和通道方式，以提 高CPU与输入输出的并行程度。
外设种类繁多，结构各异
存储设备（磁盘、磁带） 传输设备（网卡、Modem） 人机交互设备（显示器、键盘、鼠标）
输入输出数据信号类型不同 速度差异很大
9
I/O设备类型
（1）按速度分：
低速设备——几个～数百个 B/S ，如键盘、鼠标 中速设备——数K～数十KB/S ，如打印机 高速设备——数百K～数MB/S ，如光盘、磁盘
23
一个典型的PC总线结构
SCSI -Small Computer System SCSI设备控制器的智能化I/O控制 Interface， 小型计算机系统接口 降低了计算机系统的负担，使计算 机系统具有更高的I/O能力。
PCI – Peripheral Component Interface，外设组件互联 支持64位系统，它在CPU和外设 之间加了一层复杂的管理系统， 用于协调数据传输和提供一致的 接口。能适应高频率的CPU。
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设备控制器
设备控制器: I/O设备包括一个机械部件和一个电
子部件。机械部件则是设备本身，而电子部件称 为设备控制器或适配器。
在微机和小型机中，它通常是一块可插入主板扩
展槽的印刷电路板，也叫接口。它是CPU与I/O设 备之间的硬件接口，它接收从CPU发来的命令，并 去控制一个或多个设备。
（3）按设备的共享属性分： 独占：一段时间内只允许一个用户（进程）访 问的设备。
临界资源，使用时有排它性，例如打印机
共享：一段时间内允许多个进程同时访问的设 备。例如磁盘。 虚拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若 干台逻辑设备。提高设备的利用率
例：SPOOLing技术，通过共享设备来模拟独占型设 备的动作
上层用户程序（应用层）
操作系统 I/O软件管理 I/O硬件管理 底层硬件设备（物理层） 用户进程
设备无关程序
设备驱动程序 中断处理程序 设备 控制器
状态寄存器 命令寄存器 数据寄存器
键盘
15
第二节：I/O系统硬件
设备与控制器之间的接口
通常设备不与CPU直接通信，而是通过设备控制器
CPU―――设备控制器―――设备
18
个人计算机中的设备I/O端口位置
控制器：用于操作端口、总线或设备的一组电子器件。
19
设备控制器功能
（1）接收和识别命令：设备控制器应能接收和识别CPU发来
的命令，由于命令可能带有参数，所以控制器应设有寄存器 （当然必须要有命令译码器）。 （2）数据交换：控制器设有数据寄存器用于双向数据交换 。 （3）标识和报告设备状态：控制器设有状态寄存器，用于 记录设备状态，供CPU使用。 （4）地址识别：CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器 应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。控制 器应配有地址译码器。 （5）数据缓冲：由于CPU和设备间速度不匹配，所以控制器 应具有缓冲功能。 （6）差错控制：对I/O设备送来的数据进行差错检测，并向 CPU报告。
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设备控制器组成
各类寄存器：数据、命令及译码器、状态 信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线
及地址译码器、控制线 I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。
CPU与控制器接口 控制器与设备接口 数据 状态 控制
数据线
数据寄存器 控制/状态 寄存器
控制器 与设备 接口1
CPU
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I/O通道
三、通道“瓶颈”问题：
由于通道不足制约了I/O速度
解决：采用复联方式
设备1 控制器1 通道1 控制器2 存储器 控制器3 通道2 控制器4 设备2 设备3 设备4 设备5 设备6 设备7
I/O设备 通道1 存储器 I/O设备 通道2 控制器2 I/O设备 控制器1 I/O设备
方便性 友好界面 透明性
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设备管理的目标、任务和功能
（3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）
提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力 ，充分利用资源，提高资源利用率 并行性
设备管理的设计应能使各设备的数据传输与CPU运 行能高度重叠，使各设备充分地并行工作。
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。
I/O通道
一、引入 通道 一种特殊的执行I/O指令的处理机，但指令 类型单一，硬件较简单，与CPU共享内存， 可以有自己的总线。 引入目的
解脱CPU对I/O的组织、管理。
CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内 存中的相应通道程序完成任务。
26
I/O通道
二、类型
1.字节多路通道 各子通道以字节为单位以时间片轮转方式共享通道， 适用于低、中速设备。
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设备管理的目标、任务和功能
设备管理的目标：
提高外部设备的利用率； 为用户提供便利、统一的使用界面；
设备管理的任务：
（1）按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O 设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设 备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成 用户的I/O请求 （2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱 繁琐的编程负担 -- 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细 节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O设备的差异性 ）
第四节：磁盘存储器的管理
第一节：概述
与计算机相连的设备在许多方面都呈现出
不同。它们速度差异很大。在许多方面它 们总是计算机中最慢的部分。 设备管理可能是操作系统设计中最凌乱的 部分。 操作系统的关键目标之一就是向系统的其 他部分提供尽可能简单的接口。对于I/O， 最关键的问题是性能。
12
（6）按访问属性
I/O设备类型
13
I/O系统
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 弥补：更多的并发进程；但进程切换多，系统开销大
CPU性能越高，与I/O差距越大
与其他功能联系密切，特别是文件系统和磁盘存
储系统
14
I/O设备管理系统结构图
均衡性（使设备充分忙碌）
6
设备管理的目标、任务和功能
（4）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使 用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使 系统能有条不紊的工作
（5）保护
设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破 坏的、保密的
（6）设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现 从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。这样 ，用户能独立于具体物理设备而方便地使用设备