操作系统的设备管理
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位流，控制器把串行的位流组装为字节，存入 控制器内部的数据缓冲区中，形成以字节为单 位的块。对块验证后，复制到主存。
7共43页
内存映射I/O
单独的I/O和内存空间
IN R0, 4 MOV R0, 4 前者读取I/O端口4的 内容并将其存入R0， 后者读取内存字4的内 容并将其存入R0。
两个地址空间
主存地址寄存器MAR
传送字节个数计数器DC
数据总线 地址总线 控制总线
DMA控制器
16共43页
DMA工作过程：
每当磁盘把一块数 据读入控制器的数 据缓冲区时，检验 校验和。DMA控 制器取代CPU，接 管地址总线的控制Biblioteka Baidu权，直接控制与主 存的数据交换。使 CPU访问总线时速 度会变慢。
设置MAR和DC初值
14共43页
DMA方式 整块数据的传输是在控制器的控制下完成 的。仅在开始和结束时才需CPU干预。
向磁盘O控制器 发读块命令 读DMA控制器 的状态
下条指令
CPUDMA CPU做其它事 中断 DMACPU
15共43页
控制器独立地进行DMA传送
数据缓冲寄存器 主存 CPU 控制/状态寄存器 数据缓冲存储区 磁 盘
18共43页
CPU
主存储器
总线
字节多路通道
终端 打印机 读卡机 控制器 控制器 控制器
数组多路通道
磁盘控制器
选择通道
磁盘控制器
磁带控制器 磁盘控制器 软盘控制器
CPU、通道和I/O设备并行工作
19共43页
通道的三种类型
1. 字节多路通道：以字节为单位传输信息，可以分 时地执行多个通道程序，一个通道程序对应一台 设备。主要用来连接大量慢速设备。 2. 选择通道：以成组方式工作，即每次传送一批数 据，故传送速度很高。在一段时间内只能执行一 个通道程序，只允许一台设备传输数据。可用于 连接高速设备，如固定头磁盘等。 3. 数组多路通道：结合了选择通道传送速度高和字 节多路通道能够分时的优点。先为一台设备执行 一条通道指令，自动转接，再为另一台设备执行 一条通道指令。可连接多台活动头磁盘机。
12共43页
2. 程序中断方式
CPU工作情况 向设备控制器 发写命令 CPU转去执行其它程序 CPU响应中断
CPU/设备 并行工作
I/O设备工作情况
设备驱动程序启动 设备工作
将控制传递给中断服务例程 中断服务例程检查 本次传输是否有错
传输有错？
无 无
设备完成数据传输 或出错，产生中断
有
传输完成？
完
11共43页
1. 程序查询方式
向I/O控制器发读命令 CPUI/O 读I/O控制器的状态 I/OCPU
未就绪
CPU忙等 串行工作
检查状态
就绪
出错
从I/O控制器中读入字节 I/OCPU
向存储器中写字节
未完
CPU内存
传送完成
是，停止设备
从外部设 备读取一 块数据到 存储器， 每次读几 个字节的 数据。
内存
I/O端口
8共43页
内存映射I/O
内存映射I/O：将所有设备控制器
寄存器映射到内存空间。每个控 制器寄存器被分配唯一的一个内 存地址。通常分配给控制器寄存 器的地址位于地址空间的顶端。 优点：对内存的操作指令都可用 于对I/O端口的操作，不需要专门 的I/O指令。I/O设备驱动程序可 以完全用C语言编写。如UNIX。 一个地址空间
重试或故 障终止
中断返回，继续执 行被中断的进程
13共43页
3. 直接存储器访问（DMA）
支持大量数据传输的块设备，其控制器 支持直接存储器存取（DMA，Direct Memory Access）。 通常，CPU控制地址总线，进行与主存 储器的数据交换。 允许DMA控制器接管地址总线的控制权， 直接控制与主存的数据交换。
内存
9共43页
内存映射I/O--混合方案
内存映射I/O的数据缓冲
区， 控制器寄存器则具有单独 的I/O端口。 Pentium处理器使用的就 是这一体系结构。
两个地址空间
内存
I/O端口
10共43页
计算机系统对I/O设备的4种控制方式
1. 2. 3. 4. 程序查询方式（轮询(polling)） 程序中断方式 直接存储器访问(DMA)方式 通道控制方式
时钟既不是块可寻址的，也不产生或接收字符
流，只是按预先规定好的时间间隔产生中断。
4共43页
6.1.2 设备控制器
I/O设备一般由机械和电子两部分组成。机械部
分是设备本身。电子部分叫做设备控制器。
设备控制器处于CPU和I/O设备之间，接收从
CPU发来的命令，控制I/O设备工作。
很多控制器可以连接两个、四个，甚至八个相同
的设备。控制器与设备之间的接口是一个标准接 口，符合国际标准。
5共43页
控制器的作用
接收OS的命令，控制设备实现指定的功能。 每个控制器有几个寄存器，用来与CPU通信，
即存放设备驱动程序向设备发送的命令和参数。
每个寄存器被分配一个端口号。处理机通过I/O
端口地址找到对应的I/O部件和设备寄存器，以 实现对设备的控制和数据传输。
2共43页
6.1 6.2 6.3 6.4
I/O硬件组成 I/O软件的组成 设备分配 磁盘管理
3共43页
6.1
6.1.1 I/O设备
I/O硬件组成
按信息交换的单位分类：
块设备：把信息存储在固定大小的块中，每个块有自 己的地址，可独立地读写。通常块的大小为512B～ 32KB。如磁盘、磁带、光盘和电子盘。 字符设备：以字符为单位发送和接收字符流。是不可 寻址的。键盘、鼠标、扫描器、打印机、绘图仪、网 络接口等。
操作系统的设备管理
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目标和功能
I/O管理是操作系统的主要功能之一，负责 管理所有I/O设备。计算机系统中存在着大 量的I/O设备，其性能和应用特点可能完全 不同，所以要建立一个通用的、一致的设 备访问接口，使用户和应用程序开发人员 能够方便地使用I/O设备，而无须关心每种 设备各自的特性。 I/O管理是管理I/O设备，控制I/O操作
6共43页
控制寄存器：被主机用来向设备发送命令。 状态寄存器：包含主机可读取的状态信息。 数据缓冲寄存器
控制器的作用
除了几个寄存器外，许多设备控制器还有一个
操作系统可以读写的数据缓冲区。如在屏幕上 显示像素的常规方法是使用一个视频RAM， 该RAM基本上只是一个数据缓冲区。
磁盘控制器：从磁盘驱动器出来的是一连串的
启动DMA传送命令
挪用CPU工作周期传送数据 主存地址增1 数据计数器减1 DC=0 ? Y 请求中断
17共43页
N
4. 通道控制方式
与DMA方式相比，通道所需的CPU干预 更少，且可以做到一个通道控制多台设备， 进一步减轻了CPU的负担。 通道是一种专用的I/O处理机。 通道有自己的指令系统，若干条通道命令 连接成通道程序。
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内存映射I/O
单独的I/O和内存空间
IN R0, 4 MOV R0, 4 前者读取I/O端口4的 内容并将其存入R0， 后者读取内存字4的内 容并将其存入R0。
两个地址空间
主存地址寄存器MAR
传送字节个数计数器DC
数据总线 地址总线 控制总线
DMA控制器
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DMA工作过程：
每当磁盘把一块数 据读入控制器的数 据缓冲区时，检验 校验和。DMA控 制器取代CPU，接 管地址总线的控制Biblioteka Baidu权，直接控制与主 存的数据交换。使 CPU访问总线时速 度会变慢。
设置MAR和DC初值
14共43页
DMA方式 整块数据的传输是在控制器的控制下完成 的。仅在开始和结束时才需CPU干预。
向磁盘O控制器 发读块命令 读DMA控制器 的状态
下条指令
CPUDMA CPU做其它事 中断 DMACPU
15共43页
控制器独立地进行DMA传送
数据缓冲寄存器 主存 CPU 控制/状态寄存器 数据缓冲存储区 磁 盘
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CPU
主存储器
总线
字节多路通道
终端 打印机 读卡机 控制器 控制器 控制器
数组多路通道
磁盘控制器
选择通道
磁盘控制器
磁带控制器 磁盘控制器 软盘控制器
CPU、通道和I/O设备并行工作
19共43页
通道的三种类型
1. 字节多路通道：以字节为单位传输信息，可以分 时地执行多个通道程序，一个通道程序对应一台 设备。主要用来连接大量慢速设备。 2. 选择通道：以成组方式工作，即每次传送一批数 据，故传送速度很高。在一段时间内只能执行一 个通道程序，只允许一台设备传输数据。可用于 连接高速设备，如固定头磁盘等。 3. 数组多路通道：结合了选择通道传送速度高和字 节多路通道能够分时的优点。先为一台设备执行 一条通道指令，自动转接，再为另一台设备执行 一条通道指令。可连接多台活动头磁盘机。
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2. 程序中断方式
CPU工作情况 向设备控制器 发写命令 CPU转去执行其它程序 CPU响应中断
CPU/设备 并行工作
I/O设备工作情况
设备驱动程序启动 设备工作
将控制传递给中断服务例程 中断服务例程检查 本次传输是否有错
传输有错？
无 无
设备完成数据传输 或出错，产生中断
有
传输完成？
完
11共43页
1. 程序查询方式
向I/O控制器发读命令 CPUI/O 读I/O控制器的状态 I/OCPU
未就绪
CPU忙等 串行工作
检查状态
就绪
出错
从I/O控制器中读入字节 I/OCPU
向存储器中写字节
未完
CPU内存
传送完成
是，停止设备
从外部设 备读取一 块数据到 存储器， 每次读几 个字节的 数据。
内存
I/O端口
8共43页
内存映射I/O
内存映射I/O：将所有设备控制器
寄存器映射到内存空间。每个控 制器寄存器被分配唯一的一个内 存地址。通常分配给控制器寄存 器的地址位于地址空间的顶端。 优点：对内存的操作指令都可用 于对I/O端口的操作，不需要专门 的I/O指令。I/O设备驱动程序可 以完全用C语言编写。如UNIX。 一个地址空间
重试或故 障终止
中断返回，继续执 行被中断的进程
13共43页
3. 直接存储器访问（DMA）
支持大量数据传输的块设备，其控制器 支持直接存储器存取（DMA，Direct Memory Access）。 通常，CPU控制地址总线，进行与主存 储器的数据交换。 允许DMA控制器接管地址总线的控制权， 直接控制与主存的数据交换。
内存
9共43页
内存映射I/O--混合方案
内存映射I/O的数据缓冲
区， 控制器寄存器则具有单独 的I/O端口。 Pentium处理器使用的就 是这一体系结构。
两个地址空间
内存
I/O端口
10共43页
计算机系统对I/O设备的4种控制方式
1. 2. 3. 4. 程序查询方式（轮询(polling)） 程序中断方式 直接存储器访问(DMA)方式 通道控制方式
时钟既不是块可寻址的，也不产生或接收字符
流，只是按预先规定好的时间间隔产生中断。
4共43页
6.1.2 设备控制器
I/O设备一般由机械和电子两部分组成。机械部
分是设备本身。电子部分叫做设备控制器。
设备控制器处于CPU和I/O设备之间，接收从
CPU发来的命令，控制I/O设备工作。
很多控制器可以连接两个、四个，甚至八个相同
的设备。控制器与设备之间的接口是一个标准接 口，符合国际标准。
5共43页
控制器的作用
接收OS的命令，控制设备实现指定的功能。 每个控制器有几个寄存器，用来与CPU通信，
即存放设备驱动程序向设备发送的命令和参数。
每个寄存器被分配一个端口号。处理机通过I/O
端口地址找到对应的I/O部件和设备寄存器，以 实现对设备的控制和数据传输。
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6.1 6.2 6.3 6.4
I/O硬件组成 I/O软件的组成 设备分配 磁盘管理
3共43页
6.1
6.1.1 I/O设备
I/O硬件组成
按信息交换的单位分类：
块设备：把信息存储在固定大小的块中，每个块有自 己的地址，可独立地读写。通常块的大小为512B～ 32KB。如磁盘、磁带、光盘和电子盘。 字符设备：以字符为单位发送和接收字符流。是不可 寻址的。键盘、鼠标、扫描器、打印机、绘图仪、网 络接口等。
操作系统的设备管理
1共43页
目标和功能
I/O管理是操作系统的主要功能之一，负责 管理所有I/O设备。计算机系统中存在着大 量的I/O设备，其性能和应用特点可能完全 不同，所以要建立一个通用的、一致的设 备访问接口，使用户和应用程序开发人员 能够方便地使用I/O设备，而无须关心每种 设备各自的特性。 I/O管理是管理I/O设备，控制I/O操作
6共43页
控制寄存器：被主机用来向设备发送命令。 状态寄存器：包含主机可读取的状态信息。 数据缓冲寄存器
控制器的作用
除了几个寄存器外，许多设备控制器还有一个
操作系统可以读写的数据缓冲区。如在屏幕上 显示像素的常规方法是使用一个视频RAM， 该RAM基本上只是一个数据缓冲区。
磁盘控制器：从磁盘驱动器出来的是一连串的
启动DMA传送命令
挪用CPU工作周期传送数据 主存地址增1 数据计数器减1 DC=0 ? Y 请求中断
17共43页
N
4. 通道控制方式
与DMA方式相比，通道所需的CPU干预 更少，且可以做到一个通道控制多台设备， 进一步减轻了CPU的负担。 通道是一种专用的I/O处理机。 通道有自己的指令系统，若干条通道命令 连接成通道程序。