《操作系统原理》第六章 设备管理
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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
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
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
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
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
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
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
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
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。
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）
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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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
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
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
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
加设备到主机之间的通路，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
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
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
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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
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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
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
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
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
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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
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
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。
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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）
操作系统原理
字节多路通道：适于控制多路低速设备
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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
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
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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
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
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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
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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
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
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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
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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
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
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
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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
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
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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
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操作系统原理
概述
设备管理的目标和任务(3)
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
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操作系统原理
内容提要
内容提要
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
状态寄存器 命令寄存器 数据寄存器
键盘
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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
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
加设备到主机之间的通路，而不是通道
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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
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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
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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