《操作系统原理》第六章 设备管理
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加设备到主机之间的路，而不是通道
31
操作系统原理
单通道与多通道
单通道I/O机制：每个设备由一个通道负责
32
操作系统原理
单通道与多通道
多通道I/O机制：每个设备由多个通道控制
33
操作系统原理
存储器直接存取（DMA）设备
DMA：Direct Memory Access 通过系统总线中一独立控制单元——DMA控
操作系统原理
字节多路通道：适于控制多路低速设备
26
操作系统原理
通道的类型—数据选择通道
选择通道是以成组方式工作的，即每次传送
一批数据，故传送速率高。 选择通道在一段时间内只能执行一个通道程 序，只允许一台设备进行数据传输 当这台设备数据传输完成后，再选择与通道 连接的另一台设备，执行相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备
4
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(2)
建立方便、统一的独立于设备的接口
方便性：向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户编 程不考虑设备的复杂物理特性 统一性：对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序 中使用的是逻辑设备
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的差异性）
29
操作系统原理
“瓶颈”问题
I/O性能经常称为系统的瓶颈 CPU性能不等于系统性能
响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O 差距越大
弥补：更多的进程 进程多，进程切换多，系统开销大
30
操作系统原理
通道价格昂贵，使机器中的通道数量比较少
，这往往使它成了I/O的瓶颈
解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增
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 均衡性（使设备充分忙碌）
7
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(4)
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。
8
操作系统原理
内容提要
内容提要
概述 I/O硬件
数据传送到I/O端口 用户程序通过系统调用来使用I/O设备 CPU需要不断查询I/O设备的端口状态，性 能较低
40
操作系统原理
外围设备
接收到start命令
CPU
发start命令
做接收或发送数 据准备 否 准备完毕？ 是 标志触发器置done 等待CPU来的下一条指令 是
设备标志触发 器为done 否 等待
将计算机的数字信号转换成机械部分能识别的模拟
信号，或反之 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性能或增 强功能 （端口）地址译码：实现对I/O地址空间的正确映 射
18
操作系统原理
设备控制器的组成
设备控制器与处理机接口
三类信号线：数据线、地址线和控制线 寄存器：数据寄存器、控制/状态寄存器 一个设备连接一台设备 每个接口中含有数据、地址、控制信号。 控制器的I/O逻辑根据处理机发的地址信号选择设备接口 通过一组控制线与处理机交互 处理机利用它向控制器发送I/O命令。 I/O逻辑对收到的命令进行译码。
19
设备控制器与设备接口
I/O逻辑
操作系统原理
20
操作系统原理
几乎所有的微型机和小型机都利用下图所示的单总
线模型，实现CPU和控制器之间的通信。
21
操作系统原理
通道
早期：外部设备的输入/输出是在CPU的直接控制
下，I/O设备和CPU之间只能采用串行方式工作
为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高
操作系统原理
第六章 设备管理
任晓霞
北京大学计算中心
操作系统原理
内容提要
内容提要
概述
I/O硬件
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
2
操作系统原理
概述
I/O设备管理系统结构图
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
5
操作系统原理
概述
设备独立性（设备无关性）
目的：
从用户角度：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，并 实施I/O操作 从系统角度：设计并实现I/O软件时，除了直接与设备打 交道的底层软件之外，其他部分的软件不依赖于硬件
6
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(3)
执行下条指令 开始数据传送
操作系统原理
程序直接控制方式－特点
优点：简单、不需要硬件支持 缺点：
CPU和外围设备只能串行工作，CPU利用率低
在一段时间内CPU只能和一台外围设备交换数据信息， 不能实现设备之间的并行工作 依靠测试设备标志触发器的状态位控制数据传输，无法 发现处理其它错误 只适用于速度慢、设备少的系统
CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力
通道：是一种专门管理设备I/O控制的部件－一个
小规模处理机，控制设备和内存直接进行数据交换
22
操作系统原理
通道是一种特殊的处理机，与一般处理机不
同。表现在两个方面：
指令类型单一、即由于通道硬件比较简单，其所 能执行的指令，主要为与I/O有关的指令。 通道没有自己的内存，与CPU共享内存
35
操作系统原理
处理器和DMA传送不完全并行
因为有时会有总线竞争的情况发生 处理器用总线时可能稍作等待 不会引起中断 不引起程序上下文的保存
通常过程只有一个总线周期 在DMA传送时，处理器访问总线速度会变慢 对于大量数据I/O传送，采用DMA这种方式
是很有价值
36
操作系统原理
内容提要
内容提要
一个时刻可由多个进程共同使用的设备， 多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率很高 如：硬盘
虚拟式设备
13
操作系统原理
虚拟式设备
在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独 占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚 设备
目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备
，提高设备的利用率 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 ——用硬盘模拟输入输出设备） SPOOLing技术 为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的 要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提 出的一种设备管理技术另一种资源转换技术
设备驱动程序
建立设备 寄存器、 解决错误
处理中 断信号
中断处理程序 底层硬件设备
38
操作系统原理
数据传输控制方式
程序直接控制方式 中断控制方式 DMA控制方式 通道方式
39
操作系统原理
程序直接控制方式
Programmed Direct Control CPU直接与I/O设备进行通信，负责将用户
状态寄存器 命令寄存器 数据寄存器
键盘
3
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务
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，最终完成用户的I/O 请求
设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法， 选择一条数据通路 执行设备驱动程序，实现真正的I/O操作 设备中断处理：处理外部设备的中断 缓冲区管理：管理I/O缓冲区
概述 I/O硬件
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
37
操作系统原理
I/O软件管理
I/O软件体系结构
I/O请求 I/O响应
命名、保护、 阻塞、缓冲
用户I/O软件
设备无关软件
提供系统库 调用，供人 员使用；提 供类似 Spooling 这样的精灵 守护进程管 理共享设备
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
9
操作系统原理
I/O硬件管理
I/O设备的特点分析
操作系统需要管理的最复杂的资源——I/O设备 最容易成为计算机系统的瓶颈——I/O设备 最实用、最体现操作系统特色的工作——I/O管理
兼容性：操作系统最难以完成的使命 标准化：IT技术迅速普及发展的本质 高性能：I/O设备发展的主要目标 很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大 进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈 I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作 I/O设备种类繁多，工作模式各不相同 I/O设备数据多样，处理方式各不相同 I/O设备性能参差，运行控制多种多样
16
操作系统原理
设备控制器
是CPU与I/O设备的接口 分成两大类
用于控制字符设备的控制器 用于控制块设备的控制器
在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插
入计算机主板上的总线插槽
17
操作系统原理
设备控制器功能
按照主机与设备之间约定的格式和过程
接收计算机发来的数据和控制信号 向主机发送数据和状态信号
27
操作系统原理
数据选择通道：适于高速设备，成组传输数据
28
操作系统原理
通道的类型—数组多路通道
它结合了数据选择通道传送速度高和字节多路通道
能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行 一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行 一条通道指令 主要连接高速设备 这样，对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可 以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交 叉地传输一批批数据。数组多路通道实际上是对通 道程序采用多道程序设计的硬件实现
11
操作系统原理
字符设备
以字节为单位存储、传输数据 传输速率较低、不可寻址 例如：输入型设备—键盘、鼠标、图形扫描器 输出型设备—显示器、打印机、绘图机
12
操作系统原理
I/O设备分类（2）
按照资源分配的形式划分
独占式设备
一个时刻只能由一个进程使用，一般为低速I/O设备 如：打印机、磁带等
共享式设备
42
操作系统原理
中断控制方式
为了减少程序直接控制方式中CPU等待时间及提高
系统的并行工作程度。 CPU设定I/O设备的初始值，然后不再忙等待，运 行其他进程，当前进程阻塞 I/O设备完成对当前数据的处理后，向CPU发出中 断，I/O中断处理程序将负责传送剩余数据
43
操作系统原理
CPU
向设备发start命令 中断允许位置1 调度程序调度其它进程
制器，自动控制成块数据在内存和I/O单元间 的传送 大大提高处理I/O的效能
34
操作系统原理
当处理器需要读写一整块数据时 给DMA控制单元发送一条命令 包含：是否请求一次读或写，I/O设备的编址， 开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度 等信息 处理器发送完命令后就可处理其他事情 DMA控制器将自动管理数据的传送 当这个过程完成后，DMA控制器给处理器发 一个中断，处理器只在开始传送和传送结束时 关注一下就可
10
操作系统原理
I/O硬件管理
I/O设备分类（1）
按照数据的组织形式划分
块设备
以数据块为单位存储、传输数据 传输速率较高（几MB/秒）、可寻址（随机读写） 例如：磁盘、磁带、光盘 块设备根据存取速度及不同的载体结构可分三类：
顺序存储设备：严格按照信息在载体上的物理顺序来定位与存取的设
备-磁带机 直接存取存储设备：直接对某个物理位置的记录进行存取-磁盘，磁盘 组 完全直接存取存储设备：RAM
23
操作系统原理
通道的类型
根据信息交换方式，可分为三种类型 字节多路通道 数据选择通道 数组多路通道
24
操作系统原理
通道的类型--字节多路通道
字节多路通道以字节为单位传输信息 子通道按时间片轮转方式共享通道 第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换
后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让第二 个子通道使用，依次类推，所有通道轮转一周后重 返回。 只要扫描每个子通道的速度足够快，而连接到子同 上的设备的速率较小的时，不丢数据 主要连接以字节为单位的低速I/O设备，如：打印 机、终端 25
14
操作系统原理
I/O设备分类（3）
按照程序使用的方式划分
逻辑设备 由操作系统维护，简便用户操作和控制的“设备 结构” 物理设备 由硬件结构组成，真实完成各类I/O设备操作
15
操作系统原理
I/O设备硬件组成
I/O设备的硬件结构
机械部分（物理装置） 设备本身，是接收模拟信号的各种机械装置 电子部分（电子装置） • 又叫设备控制器/适配器 • 完成设备与主机的连接和通信
31
操作系统原理
单通道与多通道
单通道I/O机制：每个设备由一个通道负责
32
操作系统原理
单通道与多通道
多通道I/O机制：每个设备由多个通道控制
33
操作系统原理
存储器直接存取（DMA）设备
DMA：Direct Memory Access 通过系统总线中一独立控制单元——DMA控
操作系统原理
字节多路通道：适于控制多路低速设备
26
操作系统原理
通道的类型—数据选择通道
选择通道是以成组方式工作的，即每次传送
一批数据，故传送速率高。 选择通道在一段时间内只能执行一个通道程 序，只允许一台设备进行数据传输 当这台设备数据传输完成后，再选择与通道 连接的另一台设备，执行相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备
4
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(2)
建立方便、统一的独立于设备的接口
方便性：向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户编 程不考虑设备的复杂物理特性 统一性：对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序 中使用的是逻辑设备
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的差异性）
29
操作系统原理
“瓶颈”问题
I/O性能经常称为系统的瓶颈 CPU性能不等于系统性能
响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O 差距越大
弥补：更多的进程 进程多，进程切换多，系统开销大
30
操作系统原理
通道价格昂贵，使机器中的通道数量比较少
，这往往使它成了I/O的瓶颈
解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增
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 均衡性（使设备充分忙碌）
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操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(4)
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。
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操作系统原理
内容提要
内容提要
概述 I/O硬件
数据传送到I/O端口 用户程序通过系统调用来使用I/O设备 CPU需要不断查询I/O设备的端口状态，性 能较低
40
操作系统原理
外围设备
接收到start命令
CPU
发start命令
做接收或发送数 据准备 否 准备完毕？ 是 标志触发器置done 等待CPU来的下一条指令 是
设备标志触发 器为done 否 等待
将计算机的数字信号转换成机械部分能识别的模拟
信号，或反之 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性能或增 强功能 （端口）地址译码：实现对I/O地址空间的正确映 射
18
操作系统原理
设备控制器的组成
设备控制器与处理机接口
三类信号线：数据线、地址线和控制线 寄存器：数据寄存器、控制/状态寄存器 一个设备连接一台设备 每个接口中含有数据、地址、控制信号。 控制器的I/O逻辑根据处理机发的地址信号选择设备接口 通过一组控制线与处理机交互 处理机利用它向控制器发送I/O命令。 I/O逻辑对收到的命令进行译码。
19
设备控制器与设备接口
I/O逻辑
操作系统原理
20
操作系统原理
几乎所有的微型机和小型机都利用下图所示的单总
线模型，实现CPU和控制器之间的通信。
21
操作系统原理
通道
早期：外部设备的输入/输出是在CPU的直接控制
下，I/O设备和CPU之间只能采用串行方式工作
为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高
操作系统原理
第六章 设备管理
任晓霞
北京大学计算中心
操作系统原理
内容提要
内容提要
概述
I/O硬件
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
2
操作系统原理
概述
I/O设备管理系统结构图
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
5
操作系统原理
概述
设备独立性（设备无关性）
目的：
从用户角度：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，并 实施I/O操作 从系统角度：设计并实现I/O软件时，除了直接与设备打 交道的底层软件之外，其他部分的软件不依赖于硬件
6
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(3)
执行下条指令 开始数据传送
操作系统原理
程序直接控制方式－特点
优点：简单、不需要硬件支持 缺点：
CPU和外围设备只能串行工作，CPU利用率低
在一段时间内CPU只能和一台外围设备交换数据信息， 不能实现设备之间的并行工作 依靠测试设备标志触发器的状态位控制数据传输，无法 发现处理其它错误 只适用于速度慢、设备少的系统
CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力
通道：是一种专门管理设备I/O控制的部件－一个
小规模处理机，控制设备和内存直接进行数据交换
22
操作系统原理
通道是一种特殊的处理机，与一般处理机不
同。表现在两个方面：
指令类型单一、即由于通道硬件比较简单，其所 能执行的指令，主要为与I/O有关的指令。 通道没有自己的内存，与CPU共享内存
35
操作系统原理
处理器和DMA传送不完全并行
因为有时会有总线竞争的情况发生 处理器用总线时可能稍作等待 不会引起中断 不引起程序上下文的保存
通常过程只有一个总线周期 在DMA传送时，处理器访问总线速度会变慢 对于大量数据I/O传送，采用DMA这种方式
是很有价值
36
操作系统原理
内容提要
内容提要
一个时刻可由多个进程共同使用的设备， 多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率很高 如：硬盘
虚拟式设备
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操作系统原理
虚拟式设备
在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独 占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚 设备
目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备
，提高设备的利用率 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 ——用硬盘模拟输入输出设备） SPOOLing技术 为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的 要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提 出的一种设备管理技术另一种资源转换技术
设备驱动程序
建立设备 寄存器、 解决错误
处理中 断信号
中断处理程序 底层硬件设备
38
操作系统原理
数据传输控制方式
程序直接控制方式 中断控制方式 DMA控制方式 通道方式
39
操作系统原理
程序直接控制方式
Programmed Direct Control CPU直接与I/O设备进行通信，负责将用户
状态寄存器 命令寄存器 数据寄存器
键盘
3
操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务
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，最终完成用户的I/O 请求
设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法， 选择一条数据通路 执行设备驱动程序，实现真正的I/O操作 设备中断处理：处理外部设备的中断 缓冲区管理：管理I/O缓冲区
概述 I/O硬件
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
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操作系统原理
I/O软件管理
I/O软件体系结构
I/O请求 I/O响应
命名、保护、 阻塞、缓冲
用户I/O软件
设备无关软件
提供系统库 调用，供人 员使用；提 供类似 Spooling 这样的精灵 守护进程管 理共享设备
硬件分类 设备控制器、通道、DMA
I/O软件
设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制
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操作系统原理
I/O硬件管理
I/O设备的特点分析
操作系统需要管理的最复杂的资源——I/O设备 最容易成为计算机系统的瓶颈——I/O设备 最实用、最体现操作系统特色的工作——I/O管理
兼容性：操作系统最难以完成的使命 标准化：IT技术迅速普及发展的本质 高性能：I/O设备发展的主要目标 很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大 进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈 I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作 I/O设备种类繁多，工作模式各不相同 I/O设备数据多样，处理方式各不相同 I/O设备性能参差，运行控制多种多样
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操作系统原理
设备控制器
是CPU与I/O设备的接口 分成两大类
用于控制字符设备的控制器 用于控制块设备的控制器
在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插
入计算机主板上的总线插槽
17
操作系统原理
设备控制器功能
按照主机与设备之间约定的格式和过程
接收计算机发来的数据和控制信号 向主机发送数据和状态信号
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操作系统原理
数据选择通道：适于高速设备，成组传输数据
28
操作系统原理
通道的类型—数组多路通道
它结合了数据选择通道传送速度高和字节多路通道
能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行 一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行 一条通道指令 主要连接高速设备 这样，对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可 以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交 叉地传输一批批数据。数组多路通道实际上是对通 道程序采用多道程序设计的硬件实现
11
操作系统原理
字符设备
以字节为单位存储、传输数据 传输速率较低、不可寻址 例如：输入型设备—键盘、鼠标、图形扫描器 输出型设备—显示器、打印机、绘图机
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操作系统原理
I/O设备分类（2）
按照资源分配的形式划分
独占式设备
一个时刻只能由一个进程使用，一般为低速I/O设备 如：打印机、磁带等
共享式设备
42
操作系统原理
中断控制方式
为了减少程序直接控制方式中CPU等待时间及提高
系统的并行工作程度。 CPU设定I/O设备的初始值，然后不再忙等待，运 行其他进程，当前进程阻塞 I/O设备完成对当前数据的处理后，向CPU发出中 断，I/O中断处理程序将负责传送剩余数据
43
操作系统原理
CPU
向设备发start命令 中断允许位置1 调度程序调度其它进程
制器，自动控制成块数据在内存和I/O单元间 的传送 大大提高处理I/O的效能
34
操作系统原理
当处理器需要读写一整块数据时 给DMA控制单元发送一条命令 包含：是否请求一次读或写，I/O设备的编址， 开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度 等信息 处理器发送完命令后就可处理其他事情 DMA控制器将自动管理数据的传送 当这个过程完成后，DMA控制器给处理器发 一个中断，处理器只在开始传送和传送结束时 关注一下就可
10
操作系统原理
I/O硬件管理
I/O设备分类（1）
按照数据的组织形式划分
块设备
以数据块为单位存储、传输数据 传输速率较高（几MB/秒）、可寻址（随机读写） 例如：磁盘、磁带、光盘 块设备根据存取速度及不同的载体结构可分三类：
顺序存储设备：严格按照信息在载体上的物理顺序来定位与存取的设
备-磁带机 直接存取存储设备：直接对某个物理位置的记录进行存取-磁盘，磁盘 组 完全直接存取存储设备：RAM
23
操作系统原理
通道的类型
根据信息交换方式，可分为三种类型 字节多路通道 数据选择通道 数组多路通道
24
操作系统原理
通道的类型--字节多路通道
字节多路通道以字节为单位传输信息 子通道按时间片轮转方式共享通道 第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换
后，便立即腾出字节多路通道（主通道），让第二 个子通道使用，依次类推，所有通道轮转一周后重 返回。 只要扫描每个子通道的速度足够快，而连接到子同 上的设备的速率较小的时，不丢数据 主要连接以字节为单位的低速I/O设备，如：打印 机、终端 25
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操作系统原理
I/O设备分类（3）
按照程序使用的方式划分
逻辑设备 由操作系统维护，简便用户操作和控制的“设备 结构” 物理设备 由硬件结构组成，真实完成各类I/O设备操作
15
操作系统原理
I/O设备硬件组成
I/O设备的硬件结构
机械部分（物理装置） 设备本身，是接收模拟信号的各种机械装置 电子部分（电子装置） • 又叫设备控制器/适配器 • 完成设备与主机的连接和通信