第七章 IO设备管理

7.1 I/O设备管理概述
7.1.2 I/O设备的差异性
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7.1 I/O设备管理概述
7.1.3 I/O设备管理的任务和功能
I/O 设备管理是操作系统中最具多样性和复杂性的部 分，其主要任务如下：
① 为并发执行的多个进程分配 I/O设备，完成数据传输 任务。 ② 控制I/O设备的数据传输。
③ 为用户提供一个友好的透明接口，把用户和设备硬件 特性分开。
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2. 中断控制方式
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3. DMA控制方式
(1)DMA(Direct Memory Access)控制方式的 引入
虽然中断驱动I/O比程序I/O方式更有效，但须注 意，它仍是以字(节)为单位进行I/O的，每当完成 一个字(节)的I/O时，控制器便要向CPU请求一次 中断。如果将这种方式用于块设备的I/O，显然是 极其低效的。
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7.1.1 I/O设备的分类
4) 按设备的共享属性分类
(1) 独占设备。这是指在一段时间内只允许一个用 户(进程)访问的设备，即临界资源。独占设备的 分配有可能引起进程死锁。
(2) 共享设备。这是指在一段时间内允许多个进程 同时访问的设备。当然，对于每一时刻而言，该 类设备仍然只允许一个进程访问。典型的共享设 备是磁盘。 (3) 虚拟设备。这是指通过虚拟技术将一台独占设 备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户(进程) 同时使用。 6
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4.通道方式
（1）I/O通道控制方式的引入
虽然DMA方式比起中断方式来已经显著地减少了 CPU的干预，但CPU每发出一条I/O指令，也只能 去读(或写)一个连续的数据块。 当一次去读多个数据块且将它们分别送到不同的 内存区域，或者相反时，则须由CPU发出多条I/O 指令才能完成。 I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减 少CPU的干预。同时，又可实现CPU、通道和I/O 设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系 统的资源利用率。
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7.2.1 I/O系统结构
1. 大型机I/O系统结构
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7.2.1 I/O系统结构
2. 微型机I/O系统结构
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7.2.2 设备控制器
设备控制器的基本结构
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7.2.3 I/O控制方式
1. 查询等待控制方式
早期的计算机系统中，由于无中断机构，处理机对I/O 设备的控制采取程序I/O(Programmed I/O)方式，或称 为忙—等待方式，即在处理机向控制器发出一条I/O指 令启动输入设备输入数据时，要同时把状态寄存器中 的忙/闲标志busy置为1，然后便不断地循环测试busy 。 当busy=1时，表示输入机尚未输完一个字(符)，处理 机应继续对该标志进行测试，直至busy=0，表明输入 机已将输入数据送入控制器的数据寄存器中。 于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指 定单元中，这样便完成了一个字(符)的I/O。接着再去 启动读下一个数据，并置busy=1。
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1. 查询等待控制方式
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2. 中断控制方式
现代计算机系统中，都毫无例外地引入了中断机构，致 使对I/O设备的控制，广泛采用中断驱动(Interrupt Driven)方式，即当某进程要启动某个I/O设备工作时， 便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后 立即返回继续执行原来的任务。 设备控制器于是按照该命令的要求去控制指定I/O设备 。此时，CPU与I/O设备并行操作。下图(b)示出了中断 驱动方式的流程。 在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无需CPU干预 ，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数 据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。提高 了整个系统的资源利用率及吞吐量。
(1) 命令/状态寄存器(CR)。用于接收从CPU发来的I/O 命令，或有关控制信息，或设备的状态。 (2) 内存地址寄存器(MAR)。在输入时，它存放把数据 从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存 放由内存到设备的内存源地址。 (3) 数据寄存器(DR)。用于暂存从设备到内存，或从内 存到设备的数据。 (4) 数据计数器(DC)。存放本次CPU要读或写的字(节) 数。
为了进一步减少CPU对I/O的干预而引入了直接存 储器访问方式。该方式的特点是：
数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之 间，每次传送至少一个数据块；
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3. DMA控制方式
所传送的数据是从设备直接 送入内存的，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。
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4.通道方式
数组多路通道
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7.3 I/O软件
7.3.1 I/O软件的设计目标
I/O软件设计时主要考虑以下几个问题：
(1) 独立性 I/O软件一般分为4层，它们分别是中断处理程序、设备 驱动程序、与设备无关的系统软件和用户级软件。分层 时的细节处理依赖于系统目标，并没有严格的划分。只 要有利于独立性这一目标，操作系统设计者可在结构上 作出不同的安排。
可见，DMA方式较之中断 驱动方式，又是成百倍地 减少了CPU对I/O的干预， 进一步提高了CPU与I/O设 备的并行操作程度。
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3. DMA控制方式
（2）DMA控制器的组成
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（2）DMA控制器的组成
为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换 ，必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器：
存储设备，也称外存或后备存储器、辅助存储 器 输入/输出设备
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7.1.1 I/O设备的分类
2) 按传输速率分类 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每秒钟数 千个字节至数十万个字节的一类设备。典型的中速 设备有行式打印机、 激光打印机等。 第三类是高速设备，这是指其传输速率在数百个千 字节至千兆字节的一类设备。典型的高速设备有磁 带机、磁盘机、光盘机等。
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…
4.通道方式
② 数组选择通道(Block Selector Channel) 字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按 数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。 这种通道虽然可以连接多台高速设备，但由于它 只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执 行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送， 致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独 占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允 许其它设备使用该通道，直至该设备传送完毕释 放该通道。 可见，这种通道的利用率很低。
（2）统一命名
（3）出错处理 （4）同步（阻塞）—异步（中断驱动）传输 31
7.3 I/O软件
7.3.2 I/O软件层次
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1.中断处理程序
中断是指计算机在执行期间，系统内发生非正常 或非预期的急需处理事件，使得 CPU 暂时中断正 在执行的进程，而转去执行相应的事件处理程序， 处理完毕后返回中断处继续执行原进程或者调度 新进程执行。
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7.1.1 I/O设备的分类
3) 按信息交换的单位分类 按信息交换的单位，可将I/O设备分成两类。
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， 字符设备(Character Device)，用于数据的输入和 输出。其基本单位是字符，故称为字符设备。它 属于无结构类型。字符设备的种类繁多，如交互 式终端、打印机等。
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4.通道方式
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。但I/O通道又与一般的处理 机不同，主要表现在以下两个方面: 一是其 指令类型单一；二是通道没有自己的内存， 与CPU共享内存。
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4.通道方式
(1) 通道类型
① 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel) 这是一种按字节交叉方式工作的通道。它通常都含有 许多非分配型子通道，每一个子通道连接一台I/O设备 ，并控制该设备的I/O操作。 这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。只要字节 多路通道扫描每个子通道的速率足够快，而连接到子 通道上的设备的速率不是太高时，便不致丢失信息。 下图示出了字节多路通道的工作原理。它所含有的多 个子通道A，B，C，D，E，…，N，…分别通过控制 器各与一台设备相连。假定这些设备的速率相近，且 都同时向主机传送数据。设备A所传送的数据流为 A1A2A3…；设备B所传送的数据流为B1B2B3…
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A 1A 2A 3…子通道A B1B2B3…子通道B A 1B 1C 1…A 2B 2C 2… C1C2C3…子通道C
设备 控制器A 控制器B 控制器C 控制器D
…
N 1N 2N 3…子通道N
控制器N
图 字节多路通道的工作原理
把这些数据流合成后(通过主通道)送往主机的数 据流为A1B1C1D1 …A2B2C2D2 … A3B3C3D3 …。
④ 提高设备和设备之间、CPU和设备之间的并行执行程 度，以期使系统资源获得最佳使用效率。
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7.1 I/O设备管理概述
7.1.3 I/O设备管理的任务和功能
为了完成上述主要任务，I/O设备管理程序一般要提 供下述功能。
① 设备分配功能。 ② 设备映射功能。 ③ 提供与进程管理系统的接口，实现设备驱动。
第七章 I/O设备管理
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本章内容
7.1 I/O设备管理概述 7.2 I/O系统 7.3 I/O软件 7.4 设备分配与回收 7.5 缓冲管理 7.6 磁盘存储管理
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7.1 I/O设备管理概述
7.1.1 I/O设备的分类 I/O设备的类型繁多，从OS观点看，其重要 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。 因而可从不同角度对它们进行分类。 1) 按设备的使用特性分类 按设备的使用特性，可将设备分为两类。
狭义上讲，中断指外部中断。外部中断包括I/O设 备发出的I/O中断、其他外部信号中断（例如用户 按下 ESC 键）、各种定时器引起的时钟中断、调 试程序中设置断点引起的调试中断等
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2.设备驱动程序
设备驱动程序又称设备处理程序，其主要任务是 把用户提交的逻辑 I/O 请求转化为物理 I/O 操作的 启动和执行，如将设备名转化为端口地址、逻辑 记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作 等，并将由设备控制器发送来的信号传递给上层 软件。
④实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作 。百度文库
⑤ 进行I/O缓冲区管理。
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7.2 I/O系统
7.2.1 I/O系统结构
1. 大型机I/O系统结构
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“瓶颈”问题
由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的 通道数量势必较少，这往往又使它成了I/O 的瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的下降 。
解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是 增加设备到主机间的通路而不增加通道。
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4.通道方式
③ 数组多路通道(Block Multiplexor Channel) 数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只 允许一个设备传输数据。 数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节 多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优点 相结合而形成的一种新通道。 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。 也正因此，才使该通道能被广泛地用于连接多台高 、中速的外围设备，其数据传送是按数组方式进行 的。
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（3）DMA工作过程
我们以从磁盘读入数据为例，来说明DMA方式的工作 流程。 当CPU要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送 一条读命令。 该命令被送到其中的命令寄存器(CR)中。 同时，还须发送本次要将数据读入的内存起始目标地址 ，该地址被送入内存地址寄存器（MAR）中；本次要 读数据的字(节)数则送入数据计数器(DC)中，还须将磁 盘中的源地址直接送至DMA控制器的I/O控制逻辑上。 然后，启动DMA控制器进行数据传送，以后，CPU便 可去处理其它任务。 此后，整个数据传送过程便由DMA控制器进行控制。