缓冲技术和设备分配
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第13章 I/O系统
I/O设备的多样性 Os管理和控制 I/O操作和I/O设备。
13.1 I/O管理－概述
外设管理目的 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同 处理速度的外设 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一 使用方法，协调对设备的并发使用 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除 设备，适应新的设备类型 外设管理功能 提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口 设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相 应的通道、控制器。 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚 拟设备）。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率
设备绝对号和相对号
设备绝对号：计算机系统为每一台设备确定的编号
，用来区分和识别设备； 用户在编写程序时不能通过设备的绝对编号来使 用设备 设备类型号：操作系统为每类设备规定的一个编号 设备相对号：用户自己规定的所用的同类设备中的 第几台。 如Unix中，rfd0和rfd1分别表示第1个和第2个软 盘驱动器；
Device I/O Scheduling &Control(Device Driver)
Hardware
13.3 设备管理分层模型
逻辑I/O：将设备当作一个逻辑资源，不涉及实际的设备控
制的细节: 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, 针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈； 针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制； 设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。用户命 令到设备操作序列的转换。请求的操作和数据被转换成适 当的I/O指令序列、通道命令和控制器指令。可以用I/O缓 冲提高I/O效率 调度和控制：是I/O模块和设备硬件真正发生交互的软件层 ，直接面对硬件设备的控制细节。如I/O操作的排队，设备 控制和状态维护、中断处理。这部分通常体现为设备驱动 程序；
设备绝对号和相对号
设备的指定方式 设备绝对号 设备类型号+设备相对号 用户程序中提出使用设备的申请时，使用系统
规定的设备类型号和用户自己规定的设备相对 号，由操作系统进行地址转换，变成系统中的 设备绝对号；
13.3 设备管理系统的组织
I/O软件的设计目标：
效率：大多数I/O设备慢，I/O操作一般是系统瓶颈，很大程
按外设特性分类
13.1 I/O管理－外部设备类型和特征
Fra Baidu bibliotek
按资源分配角度分类 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速 I/O设备。如打印机，磁带等。 共享设备 在一段时间内可有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，其资源利用率高。如硬盘 虚拟设备 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（实例：SPOOLing技术） 从程序使用角度分 逻辑设备: 用户程序中使用的设备 物理设备：实际完成I/O操作的设备
13.2 I/O控制技术
程序控制I/O（轮询）：CPU代表进程给I/O模块发送一 个命令，CPU进入忙等待（输入输出完全由CPU控制） 中断驱动I/O： CPU代表进程给I/O模块发送一个命令， 然后CPU继续执行后续指令; 当I/O模块完成后，CPU被 该模块（CPU和I/O设备可以共同工作）中断。 直接存储器存取(DMA)：CPU给DMA模块发请求，只 有当DMA将整个数据块传送结束后，CPU才被中断（ 数据在内存和外设之间传输时不需要CPU干预）。
13.3 设备管理系统的组织
I／O软件的基本思想是按分层的思想构成: 较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特 性， 较高层软件则要向用户提供一个友好的、清 晰的、简单的、功能更强的接口
13.3 设备管理分层模型
User Process
Logical I/O Communications Architecture
13.1 I/O管理－外部设备类型和特征
按交互对象分类
人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、 控制器 计算机间的通信设备：网卡、调制解调器
按交互方向分类
输入（可读）：键盘、扫描仪 输出（可写）：显示设备、打印机 输入/输出（可读写）：磁盘、网卡 使用特征：存储、输入/输出、终端 数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡 、磁盘) 信息组织特征：单个字符或数据块 字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备，以字符为单 位存储、传输信息；不可寻址 块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址
设备独立性
如果用户程序中直接使用真实的物理设备，那么 会出现这样的问题：用户指定的设备因故障不能 使用，或者该设备正忙于为其他进程服务，只有 等待或者修改程序，重新指定设备。 为了实现用户程序与物理设备的无关性，在用户 程序中不要直接使用物理设备名（或者设备的物 理地址），而只能使用逻辑设备名。逻辑设备是 实际物理设备的抽象，它不限于某类具体设备。 逻辑设备究竟和哪一个具体的物理设备相对应， 还要由系统根据当时的设备忙、闲情况来决定或 者由系统管理员指定。
度上影响系统的性能和吞吐量。因此要改善I/O的有效性， 采用多道程序设计、交换。目前比较关注磁盘I/O。 通用性：设备种类、特点和性能千差万别；要求能够以一种 一致的方式来管理所有设备－一致的外部接口，很难做到通 用，但希望能够用统一的方法处理所有设备，用一种层次化 的，模块化的方法设计I/O功能。 能够在低层例程中隐藏大部分设备I/O的细节， 使得用户进程和OS高层可以通过一些通用的功能，如读 、写、打开、关闭等查看I/O设备。 设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序 时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 统一命名。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单 的字符串或一个整数，不应依赖于设备
I/O设备的多样性 Os管理和控制 I/O操作和I/O设备。
13.1 I/O管理－概述
外设管理目的 提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同 处理速度的外设 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一 使用方法，协调对设备的并发使用 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除 设备，适应新的设备类型 外设管理功能 提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口 设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相 应的通道、控制器。 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚 拟设备）。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率
设备绝对号和相对号
设备绝对号：计算机系统为每一台设备确定的编号
，用来区分和识别设备； 用户在编写程序时不能通过设备的绝对编号来使 用设备 设备类型号：操作系统为每类设备规定的一个编号 设备相对号：用户自己规定的所用的同类设备中的 第几台。 如Unix中，rfd0和rfd1分别表示第1个和第2个软 盘驱动器；
Device I/O Scheduling &Control(Device Driver)
Hardware
13.3 设备管理分层模型
逻辑I/O：将设备当作一个逻辑资源，不涉及实际的设备控
制的细节: 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, 针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈； 针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制； 设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。用户命 令到设备操作序列的转换。请求的操作和数据被转换成适 当的I/O指令序列、通道命令和控制器指令。可以用I/O缓 冲提高I/O效率 调度和控制：是I/O模块和设备硬件真正发生交互的软件层 ，直接面对硬件设备的控制细节。如I/O操作的排队，设备 控制和状态维护、中断处理。这部分通常体现为设备驱动 程序；
设备绝对号和相对号
设备的指定方式 设备绝对号 设备类型号+设备相对号 用户程序中提出使用设备的申请时，使用系统
规定的设备类型号和用户自己规定的设备相对 号，由操作系统进行地址转换，变成系统中的 设备绝对号；
13.3 设备管理系统的组织
I/O软件的设计目标：
效率：大多数I/O设备慢，I/O操作一般是系统瓶颈，很大程
按外设特性分类
13.1 I/O管理－外部设备类型和特征
Fra Baidu bibliotek
按资源分配角度分类 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速 I/O设备。如打印机，磁带等。 共享设备 在一段时间内可有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，其资源利用率高。如硬盘 虚拟设备 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（实例：SPOOLing技术） 从程序使用角度分 逻辑设备: 用户程序中使用的设备 物理设备：实际完成I/O操作的设备
13.2 I/O控制技术
程序控制I/O（轮询）：CPU代表进程给I/O模块发送一 个命令，CPU进入忙等待（输入输出完全由CPU控制） 中断驱动I/O： CPU代表进程给I/O模块发送一个命令， 然后CPU继续执行后续指令; 当I/O模块完成后，CPU被 该模块（CPU和I/O设备可以共同工作）中断。 直接存储器存取(DMA)：CPU给DMA模块发请求，只 有当DMA将整个数据块传送结束后，CPU才被中断（ 数据在内存和外设之间传输时不需要CPU干预）。
13.3 设备管理系统的组织
I／O软件的基本思想是按分层的思想构成: 较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特 性， 较高层软件则要向用户提供一个友好的、清 晰的、简单的、功能更强的接口
13.3 设备管理分层模型
User Process
Logical I/O Communications Architecture
13.1 I/O管理－外部设备类型和特征
按交互对象分类
人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、 控制器 计算机间的通信设备：网卡、调制解调器
按交互方向分类
输入（可读）：键盘、扫描仪 输出（可写）：显示设备、打印机 输入/输出（可读写）：磁盘、网卡 使用特征：存储、输入/输出、终端 数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡 、磁盘) 信息组织特征：单个字符或数据块 字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备，以字符为单 位存储、传输信息；不可寻址 块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址
设备独立性
如果用户程序中直接使用真实的物理设备，那么 会出现这样的问题：用户指定的设备因故障不能 使用，或者该设备正忙于为其他进程服务，只有 等待或者修改程序，重新指定设备。 为了实现用户程序与物理设备的无关性，在用户 程序中不要直接使用物理设备名（或者设备的物 理地址），而只能使用逻辑设备名。逻辑设备是 实际物理设备的抽象，它不限于某类具体设备。 逻辑设备究竟和哪一个具体的物理设备相对应， 还要由系统根据当时的设备忙、闲情况来决定或 者由系统管理员指定。
度上影响系统的性能和吞吐量。因此要改善I/O的有效性， 采用多道程序设计、交换。目前比较关注磁盘I/O。 通用性：设备种类、特点和性能千差万别；要求能够以一种 一致的方式来管理所有设备－一致的外部接口，很难做到通 用，但希望能够用统一的方法处理所有设备，用一种层次化 的，模块化的方法设计I/O功能。 能够在低层例程中隐藏大部分设备I/O的细节， 使得用户进程和OS高层可以通过一些通用的功能，如读 、写、打开、关闭等查看I/O设备。 设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序 时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 统一命名。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单 的字符串或一个整数，不应依赖于设备