操作系统(设备管理)知识点介绍
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n
控制器寄存器
键盘 硬盘 打印机
内 存
060 - 063 320 – 32F 378 – 37F
k
软盘
彩色显示器
3F0 – 3F7
3D0 – 3DF
0
IBM PC的I/O地址
5
6.1.3 I/O控制方式
（1）程序直接控制方式
CPU直接控制I/O操作的全过程，包括测试设 备状态、发送读写命令、传输数据。
处理机指令集应包括下述指令： 控制类 测试类 读写类I/O。 示例: 从外存读数据块到内存(见下一页)
6
向I/O部件 发读命令 读I/O部件 状态寄存器
未OK
检查状态
出错
OK
从I/O部件 读字数据
未OK
将该字写 入内存
该块读完?
OK
下一 指令
7
（2）中断控制方式
优点： CPU不 必反复测试，节 约了时间。 缺点：仍然消耗 大量的CPU时间
10
CPU直接控制外部设备
/
6.2
6.2.1
设备输入/输出子系统
设备的使用方法
一、设备相关系统调用
1.申请设备。有参数说明要申请的设备名称，操 作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（独 占还是分时共享）及设备的占用情况来分配设备， 返回申请是否成功标志。
说明： 从设备读取数据。 3. 主要用于对人 -机交互类慢速外设的使用。 对于存储类外设，用户程序一般通过文件的访问。 4.释放设备。这是申请设备的逆操作。
I/O设备通常包含一个机械部件和一个电 子部件。电子部件被称做I/O部件或设备控 制器（当控制多设备时：又叫总线控制器， 通道控制器）。 操作系统一般只与控制器打交道，而非设 备本身。 早期CPU是直接控制外部设备的，在引入 I/O部件之后，才将CPU逐渐从与外设的交互 细节中解放出来。
2
用户层I/O 系统调用接口，设备无关的操作系统软件 设备驱动及中断处理 硬件
19
用户进程
用户层I/O
设备无关 的I/O 设备驱动及 中断处理
设 备 管 理 子 系 统
硬件
逻辑结构图
20
一、用户层I/O
与设备的控制细节无关。 将所有的设备看做逻辑资源，为用户进程 提供各类I/O函数。用户以设备标识符和一 些简单的函数来使用设备，如打开、关闭、 读、写等。 如C库中的函数fopen( )，fread( )， fwrite( )，fclose( )等。
中断
读取DMA 部件状态 中断后续处理
① 操作类别 缺点：DMA部件需与 CPU 竞争控制总线。 ② I/O 设备的地址 ③ 读写数据在内存中的首地址 ④ 字数。
9
输 入 输 出 引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件 控 制 方 引入中断驱动方式 式 的 发 引入DMA 展 过 程 I/O通道或I/O处理机
16
SPOOLing系统图示
磁盘
通道 打印机
卡片机
通道
主机
通道
17
例如:所有输出数据已经写到文件当中，并排到 打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成 批读出文件中数据，并送打印机打印出去。
打印请求队列 （含要打印文 件）
打印 daemon 进程
打印机
18
6.2.2 I/O层次结构
通常，操作系统将设备管理系统划分并组 织成三个层次： • 用户层I/O； • 设备无关的I/O； • 设备驱动及中断处理；
14
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P1
请求设备 请求I/O
请求
请求
设备
释放设备
P2 请求设备 请求I/O 释放设备
图6.6 排队使用设备
15
四、以SPOOLing方式使用外设
产生的条件：I/O中断；通道；磁盘。 SPOOLing（并发的外部设备联机操作）的基本思 想：用磁盘设备作为主机的直接输入/输出设备, 即主机从磁盘选取作业并运行,结果也存在磁盘中。 相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用 通道和中断机制,作业的输入/输出与作业在处理 机上的运行可很好地并行起来。
8
（3）DMA方式
DMA方式的思想：DMA（直接内存存取）负责完成 整个I/O操作，无需再经注意： CPU寄存器转发，并在全 DMA的功能可以 部传输结束后向CPU发中断信号。 以独立的DMA部件在系 向DMA部件 发读命令
统I/O总线上完成，也 可整合到I/O部件中完 给DMA成。 的命令中应包括：
11
2.将数据写入设备。
在UNIX中，可以用如下的系统调用将数据直 接写入软盘中：
fd=open(“/dev/fd0”,O＿RDRW)；申请软盘， /dev/fd0代表软盘。 lseek(fd,1024,0) ；将软盘当前I/O位置定位到 1024字节位置。 Write(fd,buffer,36) ；将用户缓冲区buffer中 的36个字节写入软盘1024～1059字节。 …… close(fd) ；释放软盘。
SCSI 控制器 控 制 器 控 制 器
磁盘
外设
SCSI 总线
磁带
3
控制器的任务是在外部设备与CPU（内存）之间完 成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转 换。
比特流
显示信号 CRT 转换 控制器
磁盘 转换、校验 控制器
字节块
字节流
主存
主存
4
每个控制器都有一些用来与CPU通信的I/O寄 存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字 来执行I/O功能。
12
二、独占式使用设备
申请
等待
空闲吗？
独占使用
释放
如打印机
13
三、分时式共享使用设备 独占式使用设备时，设备利用率很低。 分时式共享：以一次I/O为单位分时使用 设备，不同进程的I/O操作请求以排队方式 分时地占用设备进行I/O。 注：针对一个逻辑上完整的数据的I/O操 作。 如：终端设备，磁盘设备。
连接CPU、主存、设备控制器和I/O设备模型
处理机 （CPU） 主存 显卡 主板总线 PCI总线 控制器
设备控制器的功能： 1、接收和识别来自CPU的各种命 令; 2、实现CPU与设备控制器、设备 控制器与设备之间的数据交换; 3、记录设备的状态供CPU查询; 4、识别控制器的每个设备的地址;
外设 控制器
6.1
I/O硬件概念
6.1.1 常见I/O设备的分类 •人-机交互设备(字节设备,发送接收以字节方式)； •存储类型设备(块设备,读写以数据块方式）； •网络通信的设备(网络接口，调制解调器)。
I/O设备的特点：
•数据传输速率不同；
•数据传输单位不同；
•控制的复杂性不同；
•设备的使用目的不同。
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6.1.2 设备控制器（I/O部件）
控制器寄存器
键盘 硬盘 打印机
内 存
060 - 063 320 – 32F 378 – 37F
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软盘
彩色显示器
3F0 – 3F7
3D0 – 3DF
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IBM PC的I/O地址
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6.1.3 I/O控制方式
（1）程序直接控制方式
CPU直接控制I/O操作的全过程，包括测试设 备状态、发送读写命令、传输数据。
处理机指令集应包括下述指令： 控制类 测试类 读写类I/O。 示例: 从外存读数据块到内存(见下一页)
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向I/O部件 发读命令 读I/O部件 状态寄存器
未OK
检查状态
出错
OK
从I/O部件 读字数据
未OK
将该字写 入内存
该块读完?
OK
下一 指令
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（2）中断控制方式
优点： CPU不 必反复测试，节 约了时间。 缺点：仍然消耗 大量的CPU时间
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CPU直接控制外部设备
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6.2.1
设备输入/输出子系统
设备的使用方法
一、设备相关系统调用
1.申请设备。有参数说明要申请的设备名称，操 作系统处理该系统调用时，会按照设备特性（独 占还是分时共享）及设备的占用情况来分配设备， 返回申请是否成功标志。
说明： 从设备读取数据。 3. 主要用于对人 -机交互类慢速外设的使用。 对于存储类外设，用户程序一般通过文件的访问。 4.释放设备。这是申请设备的逆操作。
I/O设备通常包含一个机械部件和一个电 子部件。电子部件被称做I/O部件或设备控 制器（当控制多设备时：又叫总线控制器， 通道控制器）。 操作系统一般只与控制器打交道，而非设 备本身。 早期CPU是直接控制外部设备的，在引入 I/O部件之后，才将CPU逐渐从与外设的交互 细节中解放出来。
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用户层I/O 系统调用接口，设备无关的操作系统软件 设备驱动及中断处理 硬件
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用户进程
用户层I/O
设备无关 的I/O 设备驱动及 中断处理
设 备 管 理 子 系 统
硬件
逻辑结构图
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一、用户层I/O
与设备的控制细节无关。 将所有的设备看做逻辑资源，为用户进程 提供各类I/O函数。用户以设备标识符和一 些简单的函数来使用设备，如打开、关闭、 读、写等。 如C库中的函数fopen( )，fread( )， fwrite( )，fclose( )等。
中断
读取DMA 部件状态 中断后续处理
① 操作类别 缺点：DMA部件需与 CPU 竞争控制总线。 ② I/O 设备的地址 ③ 读写数据在内存中的首地址 ④ 字数。
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输 入 输 出 引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件 控 制 方 引入中断驱动方式 式 的 发 引入DMA 展 过 程 I/O通道或I/O处理机
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SPOOLing系统图示
磁盘
通道 打印机
卡片机
通道
主机
通道
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例如:所有输出数据已经写到文件当中，并排到 打印输出队列，打印进程申请占用打印机后，成 批读出文件中数据，并送打印机打印出去。
打印请求队列 （含要打印文 件）
打印 daemon 进程
打印机
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6.2.2 I/O层次结构
通常，操作系统将设备管理系统划分并组 织成三个层次： • 用户层I/O； • 设备无关的I/O； • 设备驱动及中断处理；
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P1
请求设备 请求I/O
请求
请求
设备
释放设备
P2 请求设备 请求I/O 释放设备
图6.6 排队使用设备
15
四、以SPOOLing方式使用外设
产生的条件：I/O中断；通道；磁盘。 SPOOLing（并发的外部设备联机操作）的基本思 想：用磁盘设备作为主机的直接输入/输出设备, 即主机从磁盘选取作业并运行,结果也存在磁盘中。 相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输。利用 通道和中断机制,作业的输入/输出与作业在处理 机上的运行可很好地并行起来。
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（3）DMA方式
DMA方式的思想：DMA（直接内存存取）负责完成 整个I/O操作，无需再经注意： CPU寄存器转发，并在全 DMA的功能可以 部传输结束后向CPU发中断信号。 以独立的DMA部件在系 向DMA部件 发读命令
统I/O总线上完成，也 可整合到I/O部件中完 给DMA成。 的命令中应包括：
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2.将数据写入设备。
在UNIX中，可以用如下的系统调用将数据直 接写入软盘中：
fd=open(“/dev/fd0”,O＿RDRW)；申请软盘， /dev/fd0代表软盘。 lseek(fd,1024,0) ；将软盘当前I/O位置定位到 1024字节位置。 Write(fd,buffer,36) ；将用户缓冲区buffer中 的36个字节写入软盘1024～1059字节。 …… close(fd) ；释放软盘。
SCSI 控制器 控 制 器 控 制 器
磁盘
外设
SCSI 总线
磁带
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控制器的任务是在外部设备与CPU（内存）之间完 成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转 换。
比特流
显示信号 CRT 转换 控制器
磁盘 转换、校验 控制器
字节块
字节流
主存
主存
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每个控制器都有一些用来与CPU通信的I/O寄 存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字 来执行I/O功能。
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二、独占式使用设备
申请
等待
空闲吗？
独占使用
释放
如打印机
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三、分时式共享使用设备 独占式使用设备时，设备利用率很低。 分时式共享：以一次I/O为单位分时使用 设备，不同进程的I/O操作请求以排队方式 分时地占用设备进行I/O。 注：针对一个逻辑上完整的数据的I/O操 作。 如：终端设备，磁盘设备。
连接CPU、主存、设备控制器和I/O设备模型
处理机 （CPU） 主存 显卡 主板总线 PCI总线 控制器
设备控制器的功能： 1、接收和识别来自CPU的各种命 令; 2、实现CPU与设备控制器、设备 控制器与设备之间的数据交换; 3、记录设备的状态供CPU查询; 4、识别控制器的每个设备的地址;
外设 控制器
6.1
I/O硬件概念
6.1.1 常见I/O设备的分类 •人-机交互设备(字节设备,发送接收以字节方式)； •存储类型设备(块设备,读写以数据块方式）； •网络通信的设备(网络接口，调制解调器)。
I/O设备的特点：
•数据传输速率不同；
•数据传输单位不同；
•控制的复杂性不同；
•设备的使用目的不同。
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6.1.2 设备控制器（I/O部件）