21central_操作系统 第五章设备管理
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计算机操作系统第五章设备管理
– EISA（Extended ISA），1989年，带宽： 32位，最 高传输速率：32Mbps，能连接12台设备。
• 局部总线（Local Bus）
– 将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等从ISA总线 上卸下来，在通过局部总线控制器直接接到CPU总线上， 使之与高速CPU总线相匹配。
– VESA（Video Electronic Standard Association）， 1991年，带宽：32位，最高传输速率：132Mbps，能连 接2~4台设备，控制器中无缓冲；
特点：进程进展缓慢，但不会产生死锁
– 不安全分配方式 进程在发出I/O请求后继续运行，需要时再发出 其它的I/O请求，直至申请不到I/O设备而被迫阻 塞。
特点：进程进展迅速，但可能发生死锁
方法：设备分配前，必须进行安全性检查
独占设备的分配程序
• 基本的设备分配程序
– 分配设备：按照I/O请求的物理设备名，查找 SDTDCT/设备状态字。若忙，阻塞；否则，分析安 全性，安全，则分配；否则，阻塞。
• 将抽象要求转化为具体要求 • 检查I/O请求合法性 • 读出和检查设备的状态 • 传送必要的参数 • 工作方式的设置 • 启动I/O设备
第五节 设备分配
• 设备分配中的数据结构 • 设备分配时应考虑的因素 • 独占设备的分配程序 • SPOOLing技术
设备分配中的数据结构
• 设备控制表DCT
设备控制器
CPU与控制器接口
数据线
数据寄存器
地址线 控制线
控制/状态 寄存器
控制器与设备接口
地控址制识器别 数与据设缓备冲
差错接控口制1
数据 状态 控制
…… …
I/O 逻辑
• 局部总线（Local Bus）
– 将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等从ISA总线 上卸下来，在通过局部总线控制器直接接到CPU总线上， 使之与高速CPU总线相匹配。
– VESA（Video Electronic Standard Association）， 1991年，带宽：32位，最高传输速率：132Mbps，能连 接2~4台设备，控制器中无缓冲；
特点：进程进展缓慢，但不会产生死锁
– 不安全分配方式 进程在发出I/O请求后继续运行，需要时再发出 其它的I/O请求，直至申请不到I/O设备而被迫阻 塞。
特点：进程进展迅速，但可能发生死锁
方法：设备分配前，必须进行安全性检查
独占设备的分配程序
• 基本的设备分配程序
– 分配设备：按照I/O请求的物理设备名，查找 SDTDCT/设备状态字。若忙，阻塞；否则，分析安 全性，安全，则分配；否则，阻塞。
• 将抽象要求转化为具体要求 • 检查I/O请求合法性 • 读出和检查设备的状态 • 传送必要的参数 • 工作方式的设置 • 启动I/O设备
第五节 设备分配
• 设备分配中的数据结构 • 设备分配时应考虑的因素 • 独占设备的分配程序 • SPOOLing技术
设备分配中的数据结构
• 设备控制表DCT
设备控制器
CPU与控制器接口
数据线
数据寄存器
地址线 控制线
控制/状态 寄存器
控制器与设备接口
地控址制识器别 数与据设缓备冲
差错接控口制1
数据 状态 控制
…… …
I/O 逻辑
操作系统OS05设备管理
控制器 A 控制器 B 控制器 C
设备
控制器 D
…
N1N2N3…子通道
N 操作系控统制O器S05N设备管理
2. 通道类型（续）
2）数组选择通道（Block Selector Channel）
n 按数组方式进行数据传送。 n 含有一个分配型子通道。 n 一段时间内只执行一道通道程序，控制一台设
备。 n 设备独占通道，通道利用率低。
n CPU一次读(或写)多个数据块。 n 多个数据块送入不同内存区域。 n CPU、通道和I/O设备三者可并行操作。
n 工作过程：
n CPU向通道发送一条I/O指令。 n 给出通道程序首址和要访问的I/O设备。 n 通过执行通道程序完成I/O任务。
操作系统OS05设备管理
通道程序
n 通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O 设备的控制的。
接收用户命令信息，并通过输出设备同步显示用 户命令以及命令执行的结果。
操作系统OS05设备管理
1. I/O设备的类型
n
n 低速设备，每秒钟几个字节至数百个字节。
n 键盘、鼠标器、语音的输入和输出设备
n 中速设备，每秒钟数千个字节至数万个字节。
n 行式打印机、激光打印机
n 高速设备，数百千个字节至数十兆字节 。
n 没有自己的内存（通道与CPU共享内存）。
操作系统OS05设备管理
2. 通道类型
n 通道是用来控制外围设备的，由于外围设备的 类型较多，且其传输速率相差较大，因而使通 道具有多种类型。根据信息交换方式的不同， 可把通道分为三种类型：
1）字节多路通道 2）数组选择通道 3）数组多路通道
操作系统OS05设备管理
2. 中断驱动I/O控制方式
孙钟秀操作系统第五章设备管理
7
显示器
打印机
CPU
主存
显示器 控制器
打印机 控制器
……
8
二、 设备管理的目标
1、设备独立性 设备独立性： 设备独立性 ： 应用程序独立于具体使用的物 理设备。 用户在编制程序时， 理设备 。 用户在编制程序时 ， 使用逻辑设备 由系统实现从逻辑设备到物理设备（ 名 ， 由系统实现从逻辑设备到物理设备 （ 实 际设备） 的转换。 际设备 ） 的转换 。 用户能独立于具体物理设 备而方便的使用设备。 备而方便的使用设备 。 这很象程序对逻辑地 址的使用。 址的使用。 例如在系统中配备了两台打印机， 例如在系统中配备了两台打印机 ， 用户要打 印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。 印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可 。
二、中断方式
为了提高CPU和设备的利用率 CPU与设备并行工作 为了提高CPU和设备的利用率，就应使CPU与设备并行工作， CPU和设备的利用率， 应使CPU与设备并行工作， 采用I/O中断方式。中断方式要求CPU I/O中断方式 CPU与设备控制器及设备之 采用I/O中断方式。中断方式要求CPU与设备控制器及设备之 间有中断请求线，控制器的状态寄存器有相应中断允许位。 间有中断请求线，控制器的状态寄存器有相应中断允许位。 CPU与设备之间数据传输过程：1)进程发出启动I/O指令， CPU与设备之间数据传输过程：1)进程发出启动I/O指令，这 与设备之间数据传输过程 进程发出启动I/O指令 CPU会加载控制信息到设备控制器的寄存器 然后， 会加载控制信息到设备控制器的寄存器， 时CPU会加载控制信息到设备控制器的寄存器，然后，进程 继续执行或放弃CPU等待设备操作完成；2)设备控制器检查 CPU等待设备操作完成 继续执行或放弃CPU等待设备操作完成；2)设备控制器检查 按照I/O指令的要求，执行相应I/O操作，一旦传输完成， I/O指令的要求 I/O操作 按照I/O指令的要求，执行相应I/O操作，一旦传输完成，设 备控制器通过发出I/O中断信号；3)CPU收到并响应I/O中断 I/O中断信号 收到并响应I/O 备控制器通过发出I/O中断信号；3)CPU收到并响应I/O中断 转向处理该设备的I/O中断处理程序执行；4)中断处理 I/O中断处理程序执行 后，转向处理该设备的I/O中断处理程序执行；4)中断处理 程序执行数据读取操作， I/O缓冲寄存器的内容写入主存 缓冲寄存器的内容写入主存， 程序执行数据读取操作，将I/O缓冲寄存器的内容写入主存， 操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态； 操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态；5) 进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。 进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。
显示器
打印机
CPU
主存
显示器 控制器
打印机 控制器
……
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二、 设备管理的目标
1、设备独立性 设备独立性： 设备独立性 ： 应用程序独立于具体使用的物 理设备。 用户在编制程序时， 理设备 。 用户在编制程序时 ， 使用逻辑设备 由系统实现从逻辑设备到物理设备（ 名 ， 由系统实现从逻辑设备到物理设备 （ 实 际设备） 的转换。 际设备 ） 的转换 。 用户能独立于具体物理设 备而方便的使用设备。 备而方便的使用设备 。 这很象程序对逻辑地 址的使用。 址的使用。 例如在系统中配备了两台打印机， 例如在系统中配备了两台打印机 ， 用户要打 印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。 印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可 。
二、中断方式
为了提高CPU和设备的利用率 CPU与设备并行工作 为了提高CPU和设备的利用率，就应使CPU与设备并行工作， CPU和设备的利用率， 应使CPU与设备并行工作， 采用I/O中断方式。中断方式要求CPU I/O中断方式 CPU与设备控制器及设备之 采用I/O中断方式。中断方式要求CPU与设备控制器及设备之 间有中断请求线，控制器的状态寄存器有相应中断允许位。 间有中断请求线，控制器的状态寄存器有相应中断允许位。 CPU与设备之间数据传输过程：1)进程发出启动I/O指令， CPU与设备之间数据传输过程：1)进程发出启动I/O指令，这 与设备之间数据传输过程 进程发出启动I/O指令 CPU会加载控制信息到设备控制器的寄存器 然后， 会加载控制信息到设备控制器的寄存器， 时CPU会加载控制信息到设备控制器的寄存器，然后，进程 继续执行或放弃CPU等待设备操作完成；2)设备控制器检查 CPU等待设备操作完成 继续执行或放弃CPU等待设备操作完成；2)设备控制器检查 按照I/O指令的要求，执行相应I/O操作，一旦传输完成， I/O指令的要求 I/O操作 按照I/O指令的要求，执行相应I/O操作，一旦传输完成，设 备控制器通过发出I/O中断信号；3)CPU收到并响应I/O中断 I/O中断信号 收到并响应I/O 备控制器通过发出I/O中断信号；3)CPU收到并响应I/O中断 转向处理该设备的I/O中断处理程序执行；4)中断处理 I/O中断处理程序执行 后，转向处理该设备的I/O中断处理程序执行；4)中断处理 程序执行数据读取操作， I/O缓冲寄存器的内容写入主存 缓冲寄存器的内容写入主存， 程序执行数据读取操作，将I/O缓冲寄存器的内容写入主存， 操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态； 操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态；5) 进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。 进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。
计算机操作系统第五章设备管理
计算机操作系统第五章设备管理1. 引言设备管理是计算机操作系统中非常重要的一个模块，它负责管理计算机系统中的各种设备。
本文将介绍计算机操作系统中设备管理的基本概念、设备管理的功能和任务、设备分配与回收、设备驱动程序以及常见的设备管理策略。
2. 设备管理的基本概念在计算机系统中，设备是指计算机系统中的各种硬件设备，如磁盘、打印机、显示器等。
设备管理是指操作系统对这些设备的管理和控制。
设备管理的基本概念包括设备的命名和识别、设备的属性、设备的状态、设备的分配和释放等。
设备的命名和识别主要是为了能够方便地对设备进行标识和访问。
常见的设备命名方式包括逻辑设备名和物理设备名。
逻辑设备名是操作系统对设备进行的抽象，它不依赖于具体的物理设备，而是依赖于设备的类型和功能。
物理设备名是指设备在硬件上的命名，它通常由设备的制造商定义。
设备的属性包括设备的类型、设备的功能、设备的速度等信息。
设备的状态包括设备的就绪状态、设备的运行状态、设备的阻塞状态等。
设备的分配和释放是指操作系统将设备分配给进程使用，并在进程不需要设备时将设备释放。
3. 设备管理的功能和任务设备管理的主要功能包括设备的初始化、设备的分配和释放、设备的控制和操作等。
设备管理的任务包括设备驱动程序的开发、设备驱动程序的加载和卸载、设备的中断处理等。
设备管理的功能是指设备管理模块在操作系统中的具体功能。
设备的初始化是指对设备进行初始化配置，使其可以正常工作。
设备的分配和释放是指将设备分配给进程使用，并在进程不需要设备时将设备释放。
设备的控制和操作是指对设备进行控制和操作，如读取和写入数据等。
设备管理的任务是指操作系统在设备管理过程中需要完成的具体任务。
设备驱动程序的开发是指为每个设备编写相应的设备驱动程序，以便操作系统可以与设备进行通信。
设备驱动程序的加载和卸载是指将设备驱动程序加载到内核空间中，并在不需要时将其卸载。
设备的中断处理是指处理设备发生的中断事件，以便及时响应设备的请求。
计算机操作系统之设备管理PPT课件
中断处理的概念与作用
中断处理的过程
中断检测
当设备产生中断信号时，处理器会检测到该信号并确定相应的中断类型。
保存现场
处理器会保存当前任务的上下文信息，包括程序计数器、寄存器等，以便在中断处理完毕后能够恢复到原来的任务继续执行。
执行中断处理程序
处理器会转而执行相应的中断处理程序，处理设备请求或异常情况。
设备驱动程序是操作系统与硬件之间的接口，它为应用程序提供了一个统一的接口，使得应用程序可以使用设备而无需了解设备的具体实现细节。
设备驱动程序通常由设备制造商编写，并由操作系统厂商集成到操作系统中。
设备驱动程序的概念
设备驱动程序的功能
01
控制设备：设备驱动程序负责控制设备的操作，例如打开设备、关闭设备、读写设备等。
设备独立性
设备独立软件
操作系统对设备的抽象
统一设备驱动程序
操作系统提供统一的设备驱动程序，使得应用程序可以使用标准的函数调用来访问设备。
标准接口
操作系统提供标准接口，使得应用程序可以使用标准的I/O函数来访问设备，如open、read、write、close等。
统一设备接口
03
设备驱动程序
设备驱动程序：是操作系统内核的一部分，负责与计算机硬件设备进行交互。
应用场景
多道程序设计广泛应用于各种操作系统中，如Windows、Linux等；同时也应用于各种应用领域，如数据库系统、网络通信等。
多道程序设计技术
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缓冲的分类
根据缓冲区的管理方式，缓冲可以分为单缓冲、双缓冲和多缓冲。单缓冲用于解决输入输出速度不匹配的问题；双缓冲用于解决数据交换时的停顿问题；多缓冲则用于解决多个进程对多个设备的访问冲突问题。
操作系统-第5章-设备管理PPT课件
命名；保护；阻塞；缓冲； 分配
建立设备寄存器；检查状态
中断处理程序 当I/O结束时，唤醒驱动程序
硬件
执行I/O操作
19
5.3 具有通道的I/O系统管理
5.3.1 通道命令和通道程序 5.3.2 I/O指令和主机I/O程序 5.3.3 通道启动和I/O操作过程
20
5.3.1 通道命令和通道程序(1)
6
5.1.2 I/O控制方式
四种I/O方式: (1)轮询方式 (2)中断方式 (3)DMA方式 (4)通道方式
7
5.1.2 I/O控制方式
8
1.轮询方式
9
2.中断方式
中断（Interrupt） 是指CPU暂时中止 现行程序，转去处 理随机发生的紧急 事件，处理完后自 动返回原程序的功 能和技术。
传送字节个数
• 命令码 规定设备所执行的操作（数据传输类、通道转移类、设备控制类）。
• 数据主存地址 数据传输类，规定所访问数据的起始位置；通道转移类，规定转移地址。
• 标志码 定义通道程序的链接方式或标志通道命令的特点。
• 传送字节个数 数据传输类，规定本次交换的字节个数；通道转移类，填一个非0数。
10
2.中断方式
11
3.DMA方式
直接存储器访问（Direct Memory Address）DMA方式 是为了在主存储器与I／O设备间高速交换批量数据而 设置的。
基本思想是：通过硬件控制实现主存与I／O设备间的 直接数据传送，在传送过程中无需CPU的干预。数据传 送是在DMA控制器控制下进行的，
14
5Байду номын сангаас1.3 设备控制器
• 设备控制器是CPU和设备之间的一个接口,它接收 从CPU发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和 设备之间的数据传输
建立设备寄存器；检查状态
中断处理程序 当I/O结束时，唤醒驱动程序
硬件
执行I/O操作
19
5.3 具有通道的I/O系统管理
5.3.1 通道命令和通道程序 5.3.2 I/O指令和主机I/O程序 5.3.3 通道启动和I/O操作过程
20
5.3.1 通道命令和通道程序(1)
6
5.1.2 I/O控制方式
四种I/O方式: (1)轮询方式 (2)中断方式 (3)DMA方式 (4)通道方式
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5.1.2 I/O控制方式
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1.轮询方式
9
2.中断方式
中断（Interrupt） 是指CPU暂时中止 现行程序，转去处 理随机发生的紧急 事件，处理完后自 动返回原程序的功 能和技术。
传送字节个数
• 命令码 规定设备所执行的操作（数据传输类、通道转移类、设备控制类）。
• 数据主存地址 数据传输类，规定所访问数据的起始位置；通道转移类，规定转移地址。
• 标志码 定义通道程序的链接方式或标志通道命令的特点。
• 传送字节个数 数据传输类，规定本次交换的字节个数；通道转移类，填一个非0数。
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2.中断方式
11
3.DMA方式
直接存储器访问（Direct Memory Address）DMA方式 是为了在主存储器与I／O设备间高速交换批量数据而 设置的。
基本思想是：通过硬件控制实现主存与I／O设备间的 直接数据传送，在传送过程中无需CPU的干预。数据传 送是在DMA控制器控制下进行的，
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5Байду номын сангаас1.3 设备控制器
• 设备控制器是CPU和设备之间的一个接口,它接收 从CPU发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和 设备之间的数据传输
操作系统第5章设备管理(1)
操作系统第5章设备管理(1)
I/O系统
q I/O设备 q 设备控制器 q I/O通道 q 总线系统
2020/11/20
操作系统第5章设备管理(1)
设备控制器
q 设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口 q 接收CPU发来的命令，控制一个或多个I/O设备
工作，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换， 减轻CPU的负担 q 设备控制器是一个可编址的设备 q 设备控制器分类 v 控制字符设备 v 控制块设备
2020/11/20
操作系统第5章设备管理(1)
I/O通道
q 通道类型 v 数组多路通道（Block Multiplexor Channel） Ø 将数组选择通道传输速率高和字节多路通 道分时并行操作的优点相结合而形成的一 种新通道 Ø 它含有多个非分配型子通道， 因而这种通 道既具有很高的数据传输速率，又能获得 令人满意的通道利用率
2020/11/20
操作系统第5章设备管理(1)
设备控制器
q 设备控制器的组成
v 设备控制器与处理机的接口
Ø 实现CPU与设备控制器之间通信 Ø 三类信号线
ü 数据线：连接 • 数据寄存器：存放设备或CPU送来的数据 • 控制/状态寄存器：存放CPU送来的控制信 息或设备的状态信息
ü 地址线 ü 控制线
操作系统第5章设备管理(1)
I/O设备
q I/O设备的类型 v 按操作特性 Ø 存储设备 ü 存储信息，如磁盘等 Ø I/O设备 ü 用来向CPU传送信息或输出加工处理 后的信息，如显示器、打印机
2020/11/20
操作系统第5章设备管理(1)
2. 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。
第五设备管理
2020/11/16
Page 27
2. 通道类型 1) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)
这些通道按时间片轮转方式共享主通道。当所有子通道 轮转一周后，重又返回来由第一个子通道去使用。通过字节 多路通道来连接低速或中速设备时，便不能丢失信息。
Operating System
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I/O设备
I/O设备的类型 ❖ 按资源分配角度分类（共享属性）
➢ 独占设备 临界资源
✓ 多数低速设备属独占设备，如打印机 ➢ 共享设备
✓ 可供多个进程同时访问，如磁盘 ➢ 虚拟设备
✓ 通过虚拟技术将一台独占设备变换为若 干个逻辑设备，供若干个进程同时使用
Operating System
控制器操作
完成
信号 数据
状态信号线
控制逻辑
控制信号线
Operating System
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Page 15
I/O系统
I/O设备 设备控制器 I/O通道 总线系统
Operating System
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设备控制器
设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口 接收CPU发来的命令，控制一个或多个I/O设备
Operating System
2020/11/16
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2)
可将I/O设备分成两类。 第一类是块设备(Block Device)
这类设备用于存储信息。由于信息的存取总是以数据块为单位，故 而得名。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为 512B~4KB。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆 位；另一特征是可寻址，即对它可随机地读/写任一块；此外，磁盘设备 的I/O常采用DMA方式。
操作系统第5章设备管理-123页精选文档
一般而言，设备由两大部分组成：物理设备和电子
部件，为了达到设计的模块性和通用性，一般将其分开。
物理设备泛指输入输出设备中为执行所规定的操作
必须有的物理装置，包括机械运动、光学变换、物理
效应以及机电、光电或光机结合的各种有形的设备。
电子部件称为设备控制器（Device Controller）或
适配器（Adapter），是和计算机系统直接联系的电子
计算机科学系
计算机操作系统
Operating System
设备的种类和数量越来越多，结构也越来越复杂， 为了管理上的方便，通常按不同的观点，从不同的角 度对设备进行分类。
1、 按照信息交换的单位分类：字符设备(character device)、块设备(block device)
2、 按照输入输出特性分类：输入输出设备、存储 设备、通信设备
由于它在任一时刻只能为一台设备作数据传送服务，这类似于选 择通道；但它不等整个通道程序执行结束就能执行另一设备的 通道程序命令，这类似于字节多路通道。
数组多路通道的实质是：对通道程序采用多道程序设计技术 的硬件实现。该通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人
3、设备、控制器和软件之间的关系
CPU中的 软件
地址总线 数据总线
应用程序 抽象I/O机器
· 设备管理 · 管理设备控制器的程序 · 核心模式软件
设备控制器 设备
图5-2 设备、控制器、软件之间的关系
计算机科学系
计算机操作系统
Operating System
5.1 概述
5.1.1 设备分类 5.1.2 设备控制器 5.1.3 设备通道
种信号线。
I/O设备
至设备 控制器
数据信号线 状态信号线
相关主题
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中断类型调用相应的中断处理程序进行处理； 5、对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根
据用户的I/O请求，自动地构成通道程序. 归纳起来有两点：
（1）实现逻辑设备到物理设备的转换。 （2）发出I/O命令，启动相应的I/O设备，完成相
应的I/O操作。
设备驱动程序的特点
驱动程序主要是在请求I／O的进程与设备控制 器之间的一个通信程序。
（2）设备并没有分配给任何进程。在输入井或输出 井中，分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请 求表。
（3）实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独 享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这 一设备，不过，该设备是逻辑上的设备。
第五节、设备处理
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是输入/输出进程与设 备控制器之间的通信程序。
命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、数据寄 存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
一、通道设备的引入 二、通道类型
1．字节多路通道（Byte Multiplexor Channal） 2．数组选择通道（Block Selector Channal） 3．数组多路通道 三、“瓶颈”问题
虚拟设备的分配与假脱机技术
1．虚拟设备的分配 2．假脱机技术 3．假脱机系统的组成 4．假脱机系统的特点
1 ．虚拟设备的分配
所谓虚拟设备是指代替独享设备的那部分 存储空间及有关的控制结构。对虚拟设备采用 的是虚拟分配，其过程是：当进程中请求独享 设备时，系统将共享设备的一部分存储空间分 配给它。进程与设备交换信息时，系统把要交 换的信息存放在这部分存储空间，在适当的时 候对信息作相应的处理。如打印时，把要打印 的信息送到某个存储空间中，在打印机空闲时 将存储空间上的信息送到打印机上打印出来。
2．假脱机技术
通过共享设备来模拟独享设备所采用的操 作是假脱机操作，即在联机情况下外部设备同 时操作。
3．假脱机系统的组成
输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程和输出进程
假脱机系统的组成
4．假脱机系统的特点
（1）提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的I/O操 作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作 一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备 速度不匹配的矛盾。
共享设备的分配
所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设 备。如磁盘、磁鼓等设备，可由多个进程同时 进行访问。设备的共享有两层含义：一是指对 设备介质的共享，如磁盘上的各扇区。二是指 对磁盘等驱动器的共享，多个用户访问这些设 备上的信息是通过驱动器来实现的。
对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式 。
数 4、通道程序结束位P。P＝1表示本条指令是
通道程序的最后一条指令。 5、记录结束标志R。R＝0表示本通道指令与
下一条指令所处的数据是同属于一条记录； R＝1表示这是处理某条记录的最后一条指 令。
操作
P
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
1
R
计数
内存ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ址
0
80
813
第三节、缓冲管理
为了缓和CPU与I/O 设备速度不匹配 的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性， 将采用缓冲区。缓冲管理的主要职责是 组织好这些缓冲，并提供获得和释放缓 冲区的手段。
缓冲的引入
引入缓冲的主要目的有以下几点。 1．缓和处理机和I/O设备间速度不匹配
的矛盾 2．减少对CPU的中断次数 3．提高CPU和I/O设备之间的并行性
缓冲池
上述的缓冲区仅适合用于某特定I/O进程和计算进 程。而当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲， 这不仅要消耗大量的内存空间，而且其利用率不高。 为了提高缓冲区的利用率，可使用缓冲池技术。
从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。 1．缓冲池的组成
缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型： 空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数 据的缓冲区。
（1）设备驱动程序的功能和特点 （2）设备驱动程序的处理过程 （3）中断处理程序的处理过程
设备驱动程序的功能
1、将接收到的抽象要求转换为具体要求； 2、检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递
有关参数，设置设备的工作方式； 3、发出I/O命令，启动分配到的I／O设备，完成指定的I／
O操作； 4、及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其
I/O通道方式是DMA方式的发展，它可 进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的 读写为单位的干预，减少为对一组数据块的读 写及有关的控制和管理为单位干预。同时，又 可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。
2． 通道程序组成： 1、操作码：规定了指令所执行的操作（读、 写、控制）
2、内存地址：标明字符存取内存首地址 3、计数：表示本条指令所要读写数据的字节
（4）设备独立性
独享设备的分配
所谓独享设备是指这类设备被分配给一个 作业后，被这个作业所独占使用，其他的任何 作业不能使用，直到该作业释放该设备为止。 常见的独享设备有行打印机、光电输入机等。 针对独享设备，系统一般采用静态分配方式。 即在一个作业执行前，将它所需要使用的这类 设备分配给它，当作业结束撤离时，才将分配 给它的独享设备收回。
驱动程序与I／O设备的特性紧密相关。对不同 类型的设备，应配置不同的驱动程序。
驱动程序与I／O控制方式紧密相关。常用I/O 控制方式是中断驱动和DMA方式。
DMA方式的特点是： （1）数据传送的基本单位是数据块。 （2）所传送的数据是从设备送内存，或者相反。 （3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断
CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。
DMA控制器与其他部件的关系
四、I/O通道控制方式
1． I/O通道控制方式的引入
通道方式的数据传送结构
通道控制方式的数据过程如下：
（1）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设 备号和对应通道。 （2）对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的 通道指令程序、设置对应设备的控制状态寄存器的初值。 （3）设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。 （4）若传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请 求CPU做中断处理。 （5）中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。 （6）当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能 进行加工处理。
第五章 设备管理
第一节 I/O系统组成 第二节 I/O控制方式 第三节 缓冲管理 第四节 设备分配 第五节 设备处理
第一节、I/O系统组成 （学生自行阅读）
5.1．1 I/O系统的结构
一、微型机I/O系统——总线I/O系统结构 二、 主机I/O系统——通道I/O系统结构
5.1．2 I/O设备
一、I/O设备的类型 1．按传输速率分 低速设备——几个～数百个 B/S 中速设备——数K～数十KB/S 高速设备——数百K～数MB/S 2．按信息交换的单位分类 块设备——用于存储信息，信息的存取以数据块为单位。特征：传输速率较高 可寻址；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。特征：传输速率较低 不可寻址；采用中断驱动方式。 3．按设备的共享属性分类 独占设备——一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备。 共享设备——一段时间内允许多个进程同时访问的设备。 虚拟设备——通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备。
三、 直接存储器访问DMA控 制方式
1． DMA控制方式的引入 2． DMA控制器的组成 命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、
数据寄存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
DMA方式又称直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。 其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。
双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进 一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和 输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一 方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大 量的输入和输出，同时双缓冲很难匹配设备和CPU的 处理速度。因此现代计算机系统中一般使用环形缓冲 或缓冲池结构。
2．缓冲池的工作方式 缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提
取输出四种方式下工作。
收容输入：输入进程需要输入数据时，从空缓冲区队列的队首摘下一空
缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区。数据输入后把它挂在输入队列 上。
提取输入：计算进程需要输入数据时，从输入缓冲区队列的队首摘下一
缓冲区，把它作为提取输入工作缓冲区。计算进程提取数据后把它挂在 空缓冲队列上。
环形缓冲（循环缓冲）
环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相 等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接 起来，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲的 指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲 区，这样n个缓冲区就成了一个环形。此外， 系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区。 环形缓冲区结构如图下所示。
环形缓冲区结构
单缓冲
单缓冲是操作系统提供的最简单的 一种缓冲形式。每当一个进程发出一个 I/O请求时，操作系统便在主存中为之分 配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输 入/输出数据。
双缓冲
解决外设之间并行工作的最简单的办法是设置双缓冲。 在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设 置两个缓冲区buffer1和buffer2。
0
140
1034
1
60
5830
1
300
2000
0
250
1850
1
250
720
上述给出了由六条通道指令所构成的通道程序。其中，前
三条指令是分别将813～892单元中的80个字符和1034～1173单 元中的140个字符及5830～5889单元中的60个字符写成一条记 录；第4条指令是单独写一个具有300个字符的记录；第5、6条 指令共写含500个字符的记录。
据用户的I/O请求，自动地构成通道程序. 归纳起来有两点：
（1）实现逻辑设备到物理设备的转换。 （2）发出I/O命令，启动相应的I/O设备，完成相
应的I/O操作。
设备驱动程序的特点
驱动程序主要是在请求I／O的进程与设备控制 器之间的一个通信程序。
（2）设备并没有分配给任何进程。在输入井或输出 井中，分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请 求表。
（3）实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独 享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这 一设备，不过，该设备是逻辑上的设备。
第五节、设备处理
设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是输入/输出进程与设 备控制器之间的通信程序。
命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、数据寄 存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
一、通道设备的引入 二、通道类型
1．字节多路通道（Byte Multiplexor Channal） 2．数组选择通道（Block Selector Channal） 3．数组多路通道 三、“瓶颈”问题
虚拟设备的分配与假脱机技术
1．虚拟设备的分配 2．假脱机技术 3．假脱机系统的组成 4．假脱机系统的特点
1 ．虚拟设备的分配
所谓虚拟设备是指代替独享设备的那部分 存储空间及有关的控制结构。对虚拟设备采用 的是虚拟分配，其过程是：当进程中请求独享 设备时，系统将共享设备的一部分存储空间分 配给它。进程与设备交换信息时，系统把要交 换的信息存放在这部分存储空间，在适当的时 候对信息作相应的处理。如打印时，把要打印 的信息送到某个存储空间中，在打印机空闲时 将存储空间上的信息送到打印机上打印出来。
2．假脱机技术
通过共享设备来模拟独享设备所采用的操 作是假脱机操作，即在联机情况下外部设备同 时操作。
3．假脱机系统的组成
输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程和输出进程
假脱机系统的组成
4．假脱机系统的特点
（1）提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的I/O操 作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作 一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备 速度不匹配的矛盾。
共享设备的分配
所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设 备。如磁盘、磁鼓等设备，可由多个进程同时 进行访问。设备的共享有两层含义：一是指对 设备介质的共享，如磁盘上的各扇区。二是指 对磁盘等驱动器的共享，多个用户访问这些设 备上的信息是通过驱动器来实现的。
对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式 。
数 4、通道程序结束位P。P＝1表示本条指令是
通道程序的最后一条指令。 5、记录结束标志R。R＝0表示本通道指令与
下一条指令所处的数据是同属于一条记录； R＝1表示这是处理某条记录的最后一条指 令。
操作
P
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
0
WRITE
1
R
计数
内存ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ址
0
80
813
第三节、缓冲管理
为了缓和CPU与I/O 设备速度不匹配 的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性， 将采用缓冲区。缓冲管理的主要职责是 组织好这些缓冲，并提供获得和释放缓 冲区的手段。
缓冲的引入
引入缓冲的主要目的有以下几点。 1．缓和处理机和I/O设备间速度不匹配
的矛盾 2．减少对CPU的中断次数 3．提高CPU和I/O设备之间的并行性
缓冲池
上述的缓冲区仅适合用于某特定I/O进程和计算进 程。而当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲， 这不仅要消耗大量的内存空间，而且其利用率不高。 为了提高缓冲区的利用率，可使用缓冲池技术。
从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。 1．缓冲池的组成
缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型： 空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数 据的缓冲区。
（1）设备驱动程序的功能和特点 （2）设备驱动程序的处理过程 （3）中断处理程序的处理过程
设备驱动程序的功能
1、将接收到的抽象要求转换为具体要求； 2、检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递
有关参数，设置设备的工作方式； 3、发出I/O命令，启动分配到的I／O设备，完成指定的I／
O操作； 4、及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其
I/O通道方式是DMA方式的发展，它可 进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的 读写为单位的干预，减少为对一组数据块的读 写及有关的控制和管理为单位干预。同时，又 可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作。
2． 通道程序组成： 1、操作码：规定了指令所执行的操作（读、 写、控制）
2、内存地址：标明字符存取内存首地址 3、计数：表示本条指令所要读写数据的字节
（4）设备独立性
独享设备的分配
所谓独享设备是指这类设备被分配给一个 作业后，被这个作业所独占使用，其他的任何 作业不能使用，直到该作业释放该设备为止。 常见的独享设备有行打印机、光电输入机等。 针对独享设备，系统一般采用静态分配方式。 即在一个作业执行前，将它所需要使用的这类 设备分配给它，当作业结束撤离时，才将分配 给它的独享设备收回。
驱动程序与I／O设备的特性紧密相关。对不同 类型的设备，应配置不同的驱动程序。
驱动程序与I／O控制方式紧密相关。常用I/O 控制方式是中断驱动和DMA方式。
DMA方式的特点是： （1）数据传送的基本单位是数据块。 （2）所传送的数据是从设备送内存，或者相反。 （3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断
CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。
DMA控制器与其他部件的关系
四、I/O通道控制方式
1． I/O通道控制方式的引入
通道方式的数据传送结构
通道控制方式的数据过程如下：
（1）当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设 备号和对应通道。 （2）对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的 通道指令程序、设置对应设备的控制状态寄存器的初值。 （3）设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。 （4）若传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请 求CPU做中断处理。 （5）中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。 （6）当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能 进行加工处理。
第五章 设备管理
第一节 I/O系统组成 第二节 I/O控制方式 第三节 缓冲管理 第四节 设备分配 第五节 设备处理
第一节、I/O系统组成 （学生自行阅读）
5.1．1 I/O系统的结构
一、微型机I/O系统——总线I/O系统结构 二、 主机I/O系统——通道I/O系统结构
5.1．2 I/O设备
一、I/O设备的类型 1．按传输速率分 低速设备——几个～数百个 B/S 中速设备——数K～数十KB/S 高速设备——数百K～数MB/S 2．按信息交换的单位分类 块设备——用于存储信息，信息的存取以数据块为单位。特征：传输速率较高 可寻址；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。特征：传输速率较低 不可寻址；采用中断驱动方式。 3．按设备的共享属性分类 独占设备——一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备。 共享设备——一段时间内允许多个进程同时访问的设备。 虚拟设备——通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备。
三、 直接存储器访问DMA控 制方式
1． DMA控制方式的引入 2． DMA控制器的组成 命令/状态寄存器CR、内存地址寄存器MAR、
数据寄存器DR、数据计数器DC 3． DMA工作过程
DMA方式又称直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。 其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。
双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进 一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和 输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一 方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大 量的输入和输出，同时双缓冲很难匹配设备和CPU的 处理速度。因此现代计算机系统中一般使用环形缓冲 或缓冲池结构。
2．缓冲池的工作方式 缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提
取输出四种方式下工作。
收容输入：输入进程需要输入数据时，从空缓冲区队列的队首摘下一空
缓冲区，把它作为收容输入工作缓冲区。数据输入后把它挂在输入队列 上。
提取输入：计算进程需要输入数据时，从输入缓冲区队列的队首摘下一
缓冲区，把它作为提取输入工作缓冲区。计算进程提取数据后把它挂在 空缓冲队列上。
环形缓冲（循环缓冲）
环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相 等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接 起来，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲的 指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲 区，这样n个缓冲区就成了一个环形。此外， 系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区。 环形缓冲区结构如图下所示。
环形缓冲区结构
单缓冲
单缓冲是操作系统提供的最简单的 一种缓冲形式。每当一个进程发出一个 I/O请求时，操作系统便在主存中为之分 配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输 入/输出数据。
双缓冲
解决外设之间并行工作的最简单的办法是设置双缓冲。 在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设 置两个缓冲区buffer1和buffer2。
0
140
1034
1
60
5830
1
300
2000
0
250
1850
1
250
720
上述给出了由六条通道指令所构成的通道程序。其中，前
三条指令是分别将813～892单元中的80个字符和1034～1173单 元中的140个字符及5830～5889单元中的60个字符写成一条记 录；第4条指令是单独写一个具有300个字符的记录；第5、6条 指令共写含500个字符的记录。