输入输出系统

启动
通道
的工
作流
程
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第六章 输入/输出系统
6.3 I/O系统的软件组织
I/O请求
层次 用户进程
I/O应答
I/O功能
进行I/O调用； 格 式 化 I/O；Spooling
设备无关软件
命名，保护，阻塞，缓冲，分配
设备驱动程序
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
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6.4 缓 冲 技 术
第六章 输入/输出系统
用 户进 程
操 作系 统
I/ O设 备
用 户进 程
(a) 操 作系 统
I/ O设 备
(b)
图 6.13 (a) 无缓冲；. (b) 单缓冲
缓冲区的分类
单缓冲 双缓冲 缓冲池
用 户 进 程
A
第六章 输入/输出系统
I/O设 备
B
图 6.14 双缓冲
图 6.12 I/O系.统的层次结构
I/O软件设计的目标
第六章 输入/输出系统
设备无关性 错误处理 同步/异步传输 处理独占设备和共享设备的I/O操作
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中断处理程序
第六章 输入/输出系统
中断处理程序位于I/O系统的最低层。当 进程需要进行I/O操作时，操作系统应将 该进程挂起，即进入阻塞，直至I/O操作 结束并发生中断。 当中断发生时，中断处 理程序执行相应的操作，以解除相应进程 的阻塞状态。
第六章 输入/输出系统
3. 按资源分配角度分类 • 独占设备 • 共享设备 • 虚拟设备
4. 按传输数据数量分类 •字符设备 •块设备
5. 按传输速率分类 •慢速设备 •中速设备 •快速设备
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几种常见I/O设备的物理特性
第六章 输入/输出系统
旋 转 方向
1. 磁盘
存取臂 0
1 2
盘面
图
3
6
4
.
5
2
.
多通路I/O系统
主存
通道A 通道B
第六章 输入/输出系统
控制器C 控制器D
设备E 设备F 设备G 设备H
图 6.9 多通路的配置方案
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通道命令和通道程序
第六章 输入/输出系统
通常，计算机系统的I/O处理机具有如下 三类基本通道操作：
数据传送类， 如读、 写、 反读、 断定(检验 设备状态)；
…
进 程j
中 断 进 程j 保护现场
分析中断事件 处 理 I/O中 断 激活进程i 重新调度
通道
判断状态形成 条件码
执行通道程序 控制设备操作 执 行 情 况 登 记 在C SW 中
出现中断事件 CSW 送 固 定 单 元 通道号、设备号 送入特定寄存 器
设备和 设备控制器
执行
图
规定
6.11
操作
CPU
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缓冲池
第六章 输入/输出系统
缓冲池由多个缓冲区组成。 为了管理方便，将相同类型的缓冲区链成一个队
列，形成以下三个队列：
(1) 空缓冲区队列emq： 由空缓冲区所链成的队列；
(2) 输入队列inq： 由装满输入数据的缓冲区所链成的 队列；
(3) 输出队列outq： 由装满输出数据的缓冲区所链成 的队列。
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设备驱动程序
第六章 输入/输出系统
设备驱动程序包括了所有与设备有关的代 码。每一个设备驱动程序只处理一种设备 或者一类密切相关的设备。
设备驱动程序的功能是从与设备无关的软 件中接收抽象的请求，并执行该请求。
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与设备无关的I/O软件
第六章 输入/输出系统
面向应用层，提供一个统一的接口。 现以块设备为例， 与设备无关的I/O软件的主要
6
磁
7
磁
头
8
定
9
盘
位
SV
部
11
件
12
物 理
13 14
结
15
构
16
17
概
18 19
念
臂 移 动 方 向 . SV-伺 服 磁 头
图
第六章 输入/输出系统
表6-1 典型的软盘和硬盘的技术参数
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2. 时钟
晶振
第六章 输入/输出系统
每个脉冲减少一次计数器 使用保持寄存器装载计数器
图 6.3 可编程时钟
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第六章 输入/输出系统
6.1 I/O系统的硬件结构 6.2 采用通道模型的I/O系统 6.3 I/O系统的软件组织 6.4 缓冲技术 6.5 6.6 设备分配程序 6.7 WindowsNT的I/O系统
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6.1 I/O系统的硬件结构
1.按使用特性 对设备的分类
第六章 输入/输出系统
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2. 按所属关系分类 •系统设备 •用户设备
3. 终端
存储映像终端 RS-232终端 X终端
第六章 输入/输出系统
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I/O控制方式
1. 循环I/O测试方式。 2. 程序中断I/O方式。 3. DMA方式。 4. 通道方式。
第六章 输入/输出系统
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第六章 输入/输出系统
CPU
内存 计数
磁盘 控制器
驱动器
缓冲器 DMA寄存器
内存地址 计数 系统总线
功能包括： 设备命名。 设备保护。 与设备无关的块大小。 数据缓冲。 数据块的分配。 对独占设备的分配与释放。 错误处理。
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用户空间的I/O软件
第六章 输入/输出系统
尽管大部分I/O软件属于操作系统，但是 也有一小部分是与用户程序链接在一起的 库例程，甚至是在核心外运行的完整程序。
数据 状态 控制
控制器 与设备 接口i
数据 状态 控制
图 6.8 设备控. 制器的组成
第六章 输入/输出系统
6.2 采用通道模型的I/O系统
• 通道是一个独立于CPU的、专门用于管理I/O的 处理机。
• 使用通道的目的是减轻CPU的工作负担，增加 系统并行能力。
通道类型 字节多路通道
数组多路通道
图 6.7 DMA方式下的数据传输
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设备控制器
第六章 输入/输出系统
现有大多数的设备控制器由以下三部分组 成：
设备控制器与CPU 设备控制器与设备的接口
I/O逻辑
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第六章 输入/输出系统
CP U与控制器接口
数据线 地址线
数据寄ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ器
控制/状态 寄存器
控制线
I/ O逻辑
…
控制器与设备接口
控制器 与设备 接口1
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四种工作缓冲区：
第六章 输入/输出系统
用于收容输入数据的工作缓冲区； 用于提取输入数据的工作缓冲区； 用于收容输出数据的工作缓冲区； 用于提取输出数据的工作缓冲区。
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第六章 输入/输出系统
设备控制类， 如控制换页、 磁带反绕等； 转移类， 即通道程序内部的控制转移。
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2. CPU和通道间的通讯
第六章 输入/输出系统
中央处理机
用户进程
操作系统
…
…
进 程i
系统调用 ( I/O 请 求 )
保 护 进 程i的 现 场 组织通道程序 存 CAW 到 固 定 单 元 执 行 SIO 指 令 检查条件码 启 动成 功 进 程 i阻 塞 重 新 调 度 进 程j运 行