设备处理技术讲义

1、设备处理技术讲义5.1 5.1 概述概述5.1.1 I/O5.1.1 I/O管理的重要性管理的重要性1. I/O1. I/O设备就像计算机系统的五官和四肢设备就像计算机系统的五官和四肢2. I/O2. I/O性能经常成为系统性能的瓶颈性能经常成为系统性能的瓶颈(1)CPU(1)CPU性能不等于系统性能性能不等于系统性能, ,响应时响应时间也是一个重要因素间也是一个重要因素(2)CPU(2)CPU性能越高，与性能越高，与I/OI/O差距越大差距越大 弥补：更多的进程弥补：更多的进程(3)(3)进程切换多，系统开销大进程切换多，系统开销大3.操作系统庞大复杂的原因是：资源多、杂，并发，均来自I/O

2、4.理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键5.I/O技术很实用6.与其他功能联系密切，特别是文件系统5.1.2 5.1.2 设备的分类设备的分类1.1.按使用特性分按使用特性分 . .存储型设备存储型设备 . .输入输出型设备（交互型设备）输入输出型设备（交互型设备） . .终端设备终端设备 . .脱机设备脱机设备2.2.按数据组织分按数据组织分 块设备块设备以数据块为单位存储、以数据块为单位存储、 传输传输信息，如磁盘，磁带。信息，如磁盘，磁带。 字符设备字符设备以字符为单位存储、传输以字符为单位存储、传输信息，如打印机，终端。信息，如打印机，终端。3.3.按外部设备

3、的从属关系分按外部设备的从属关系分 系统设备系统设备指操作系统生成时，登记在系统中的标准设指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等）备。（如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备用户设备指在系统生成时，未登记在系统中的指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。（如（如A/DA/D，D/AD/A转换器，转换器，CADCAD所用专用设备）所用专用设备）4.4.从资源分配角度分从资源分配角度分 独占设备独占设备在一段

4、时间内只能有一个进程使用的在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速设备，一般为低速I/OI/O设备。（如打印机，磁带等）设备。（如打印机，磁带等） 共享设备共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的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）利用率高。（如硬盘）虚拟设备虚拟设备在一类设备上模拟另一类设备，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拟设模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。备。 目的：

5、将慢速的独占设备改造成多个用户可共目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率享的设备，提高设备的利用率（实例：（实例：SPOOLingSPOOLing技术，利用虚设备技术技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备）用硬盘模拟输入输出设备）5.5.从程序使用角度分从程序使用角度分 逻辑设备逻辑设备 物理设备物理设备6.6.按数据传输率分按数据传输率分 高速设备高速设备 低速设备低速设备5.1.3 5.1.3 设备管理的目标和任务设备管理的目标和任务1.1.按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/OI/O设设备与内存之间的数据交

6、换（包括设备分配与回收；设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成用户的成用户的I/OI/O请求请求设备管理功能：设备管理功能：（1 1）设备分配与回收）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，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，选择一条数据通路采用一定的分配算法，选择一条数据通路 。（2 2）建立统一的独立于设备的接口）建立统一的独立于设备的接口（3 3）完成设备驱动程序，实现真正的）完成设备驱动程序，实现真正的I/OI/O操作操作（4 4）处理

7、外部设备的中断处理）处理外部设备的中断处理（5 5）管理）管理I/OI/O缓冲区缓冲区2.2.向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户 摆脱繁琐的编程负担摆脱繁琐的编程负担 方便性方便性 友好界面友好界面 透明性透明性逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（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，不同的物理细节，错误处理，不同I/OI/O的差异性）的差异性）3.3.充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高高CPUCPU与设备、设备与设备之间的并行工作能与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利

8、用资源，提高资源利用率。力，充分利用资源，提高资源利用率。 并行性并行性 均衡性（使设备充分忙碌）均衡性（使设备充分忙碌）4.4.保证在多道程序环境下，当多个进程竞保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊地工作。各种设备，使系统能有条不紊地工作。5.5.保护保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的。被破坏的、保密的。6 6. .设备独立性设备独立性 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，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（实由系

9、统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换际设备）的转换 用户能独立于具体物理设备而方便的使用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备用设备5.1.4 I/O5.1.4 I/O技术技术I/OI/O控制方式：程序控制方式：程序I/OI/O方式、中断方式、通方式、中断方式、通道方式、道方式、DMADMA方式。这也是数据传送控制的方式。这也是数据传送控制的四种方式。四种方式。I/OI/O控制功能：控制功能： 解释用户的解释用户的I/OI/O系统调用；系统调用； 设备驱动；设备驱动； 中断处理。中断处理。5.2 I/O5.2 I/O软件软件 I/O I/O软件的基本思想是按分层的思想构成，软件的基本思

10、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、功能更强个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口。的接口。5.2.1 I/O5.2.1 I/O软件的目标软件的目标 在设计在设计I/OI/O软件时的一个关键概念是设备独软件时的一个关键概念是设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件立性。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的程序时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用。程序就可以使用。 与设备独立性密切相关的是统一命名与设备独立

11、性密切相关的是统一命名这一目这一目标标。一个文件或一个设备的名字只应是一个。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。简单的字符串或一个整数，不应依赖于设备。 出错处理是出错处理是I/OI/O软件的软件的另一个目标另一个目标。一般来。一般来说，数据传输中的错误应尽可能地在接近说，数据传输中的错误应尽可能地在接近硬件层上处理硬件层上处理 最后一个问题是可共享设备和独占设备的处最后一个问题是可共享设备和独占设备的处理问题理问题5.2.2 5.2.2 中断处理中断处理 每个进程在启动一个每个进程在启动一个I/OI/O操作后阻塞操作后阻塞 直到直到I/OI/O操作完成并

12、产生一个中断操作完成并产生一个中断 由操作系统接管由操作系统接管CPUCPU后唤醒该进程为止后唤醒该进程为止5.2.3 5.2.3 设备驱动设备驱动 与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动程序处理一种设备类型。每个设备驱动程序处理一种设备类型。 5 5.2.4 .2.4 与设备无关的软件与设备无关的软件 虽然虽然I/OI/O软件中一部分是设备专用的，但大软件中一部分是设备专用的，但大部分软件是与设备无关的。设备驱动程序部分软件是与设备无关的。设备驱动程序与设备独立软件之间的确切界限是依赖于与设备独立软件之间的确切界限是依赖于具体系统的。具体

13、系统的。 1.1.独立于设备的软件的基本任务是实现所有独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要的功能，并且向用户级软件提供设备都需要的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口。一个统一的接口。 2. 2.如何给文件和设备这样的对象命名是操作系如何给文件和设备这样的对象命名是操作系统中的一个主要课题。独立于设备的软件负统中的一个主要课题。独立于设备的软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上。责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上。 3. 3.设备保护设备保护 系统如何防止无权存取设备的用户存取设备系统如何防止无权存取设备的用户存取设备呢？呢？ 4. 4.不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸

14、。向较高层软不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较高层软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸，这正是件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸，这正是设备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一设备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一个逻辑块。这样，较高层的软件只与抽象设备打交个逻辑块。这样，较高层的软件只与抽象设备打交道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块。道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块。 5. 5.缓冲技术缓冲技术 6. 6.设备分配设备分配 7. 7.出错处理出错处理 5.2.5 5.2.5 用户空间的用户空间的I/OI/O软件软件 尽管大部分尽管大部分I/OI/O软件都包

15、含在操作系统中，但仍有一小部分是软件都包含在操作系统中，但仍有一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程，甚至完全由运行于核外由与用户程序连接在一起的库过程，甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，包括的程序构成。系统调用，包括I/OI/O系统调用，通常由库过程实系统调用，通常由库过程实现。现。 这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参数放这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参数放在合适的位置，由其它的在合适的位置，由其它的I/OI/O过程实现真正的操作。过程实现真正的操作。（1 1）用户进程层执行输入输出系统调用，对）用户进程层执行输入输出系统调用，对I IO O数据数据进行格式化，为

16、假脱机输入输出作准备进行格式化，为假脱机输入输出作准备（2 2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配（3 3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态行状态（4 4）中断处理程序负责）中断处理程序负责I IO O完成时，唤醒设备完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理驱动程序进程，进行中断处理（5 5）硬件层实现物理）硬件层实现物理I IO O的操作的操作5.3 I/O5.3 I/O系统系统硬件硬件5.3.1 5.3.1 设备组成设备组

17、成 I/O I/O设备一般由机械和电子两部分组成，把这两部设备一般由机械和电子两部分组成，把这两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计。计。I/OI/O设备特点：设备特点： （1 1）操作异步性）操作异步性 （2 2）设备自治性）设备自治性 （3 3）接口通用性）接口通用性 1.1.物理设备物理设备 机械部分是设备本身（物理装置）机械部分是设备本身（物理装置）2.2.设备控制器设备控制器 电子部分叫做设备控制器或适配器。电子部分叫做设备控制器或适配器。 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中。计

18、算机中。 控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合ANSIANSI、IEEEIEEE或或ISOISO这样的国际标准。这样的国际标准。5.3.2 5.3.2 设备接口设备接口 一次完整的一次完整的I/OI/O传送过程，典型地由一长列低级传送过程，典型地由一长列低级信号组成，这些信号启动设备所执行的操作，并信号组成，这些信号启动设备所执行的操作，并通过测试设备状态来监控设备操作的进展通过测试设备状态来监控设备操作的进展 一个一个I/OI/O过程由四步组成：过程

19、由四步组成： 准备准备 启动启动 测试和等待测试和等待 结果检查和错误处理结果检查和错误处理 通过对设备接口寄存器组的读写通过对设备接口寄存器组的读写完成完成 设备接口复杂繁琐设备接口复杂繁琐5.3.3 5.3.3 设备连接模式设备连接模式 指指I/OI/O设备与设备与CPUCPU之间的连接方式，亦即将设备连之间的连接方式，亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式。在一个确定的连接到一个计算机系统上的方式。在一个确定的连接模式下，从接模式下，从I/OI/O设备到设备到CPUCPU间的所有连接成分构间的所有连接成分构成了一条成了一条I/OI/O路径（路径（I/OI/O链）链）1.1.总线总线 将计

20、算机系统中的各个子系统（将计算机系统中的各个子系统（CPUCPU、内存、外设、内存、外设等）相互连接，且连接是共享的线路。分为数据等）相互连接，且连接是共享的线路。分为数据总线、地址总线、控制总线总线、地址总线、控制总线 2.2.控制器（适配器）控制器（适配器） 电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯3.DMA3.DMA 数据在内存与数据在内存与I/OI/O设备间的直接成块传送。操作由设备间的直接成块传送。操作由DMADMA硬件硬件直接完成。如下图所示：直接完成。如下图所示： 当当DMADMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时，每当磁盘把一硬件控制磁盘

21、与存储器之间进行信息交换时，每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，个数据读入控制器的数据缓冲区时，DMADMA控制器取代控制器取代CPUCPU，接管地，接管地址总线的控制权，并按照址总线的控制权，并按照DMADMA控制器中的存储器地址寄存器内容把控制器中的存储器地址寄存器内容把数据送入相应的内存单元中。然后，数据送入相应的内存单元中。然后，DMADMA硬件自动地把传送字节计硬件自动地把传送字节计数器减数器减1 1，把存储器地址寄存器加，把存储器地址寄存器加1 1，并恢复，并恢复CPUCPU对内存的控制权，对内存的控制权，DMADMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数控

22、制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数器为器为“0 0”时，向时，向CPUCPU产生一个中断信号。当操作系统接管产生一个中断信号。当操作系统接管CPUCPU控制控制权时，再无需做块复制的工作了。权时，再无需做块复制的工作了。寄存器寄存器CPU向控制器发出启动向控制器发出启动DMA通知和有关参数通知和有关参数控制器向内存发出询问请求控制器向内存发出询问请求访问内存（读、写）访问内存（读、写）计数器减计数器减1发中断发中断NYDMA的实现流程的实现流程结束否结束否5.4 5.4 设备有关技术设备有关技术5.4.1 5.4.1 通道技术通道技术1.1.定义：通道是独立于定义：通道是独立

23、于CPUCPU的专门负责数据输的专门负责数据输入入/ /输出传输工作的处理机，对外部设备实输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替现统一管理，代替CPUCPU对输入对输入/ /输出操作进输出操作进行控制，从而使输入行控制，从而使输入/ /输出操作可与输出操作可与CPUCPU并并行操作。通道相当于一个功能简单的处理行操作。通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道指令（空操作，读操作，写机，包含通道指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移操作），并可执行用这操作，控制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序。些指令编写的通道程序。 3. 3. 分类分类1) 1) 字节多路通道字节多

24、路通道 字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息个通道程序，控制另一台设备传送信息 主要连接以字节为单位的低速主要连接以字节为单位的低速I/OI/O设备。如打印设备。如打印机，终端。机，终端。 2.2.引入通道的目的引入通道的目的 为了使为了使CPUCPU从从I/OI/O事务中解脱出来，同时为了提高事务中解脱出来，同时为了提高CPUCPU与

25、设备，设备与设备之间的并行工作能力。与设备，设备与设备之间的并行工作能力。 2)2)选择通道选择通道 选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。选择通道在一段时间内数据，故传送速度很高。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只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输据传输 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，执行它的相应的通道程序一台设备，执行它的相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速主要连接磁盘，磁带等高速I/OI/O设备设备 3)

26、3)成组多路通道成组多路通道 它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进它结合了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，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令通道指令 主要连接高速设备主要连接高速设备 执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPUCPU发中断信号的功能。发中断信号的功能。 一旦一旦CPUCPU发出指令，启发出指令，启动通道，则通道独立于动通道，则通道独立于CPUCPU工作。一个通道可连工作。一个

27、通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接。成树形交叉连接。 交叉连接交叉连接5.4.2 Spooling5.4.2 Spooling技术技术 SpoolingSpooling（Simultaneaus Periphernal Simultaneaus Periphernal Operating On-LineOperating On-Line）技术是以通道为基础，在操）技术是以通道为基础，在操作系统的配合下，实现联机情况下输入、输出外围作系统的配合下，实现联机情况下输入、输出外围操作同时进行，也称为假脱机操作。操作同时进行，也称

28、为假脱机操作。当系统引入多道程序技术后，完全可以用其中的一当系统引入多道程序技术后，完全可以用其中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速I/OI/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再用其中的设备上的数据传送到高速磁盘上；再用其中的另一道程序模拟脱机输出时的外围控制机功能，把另一道程序模拟脱机输出时的外围控制机功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样就缓和了数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样就缓和了CPUCPU的高速性与的高速性与I/OI/O的低速之间的矛盾的低速之间的矛盾。SpoolingSpooling系统主要功能系统主要功能 将输入

29、设备上的信息写到辅存输入井上；将输入设备上的信息写到辅存输入井上； 系统或用户程序从输入井中读信息；系统或用户程序从输入井中读信息； 系统或用户程序将数据写到输出井中系统或用户程序将数据写到输出井中 将从输出井中数据交给慢速输出设备。将从输出井中数据交给慢速输出设备。5.4.3 DMA 5.4.3 DMA 技术技术 DMA (direct memory access) DMA (direct memory access)方式与中断方式的主要区方式与中断方式的主要区别别 中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPUCPU进行中断处理；进行中断处理

30、；DMADMA方式则是在所要求传送的数据块全方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求部传送结束时要求CPUCPU进行中断处理，大大减少了进行中断处理，大大减少了CPUCPU进进行中断处理的次数。行中断处理的次数。 中断方式的数据传送是由中断方式的数据传送是由CPUCPU控制完成的；控制完成的； 而而DMADMA方式则是在方式则是在DMADMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPUCPU控制控制完成的。完成的。控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存，控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存，然后，按指定字节数进行数据传送，然后，按指定字节数进行数据传送，每当传送一个字

31、节后，字节计数器值减每当传送一个字节后，字节计数器值减1 1，直到字节计数器等于，直到字节计数器等于0 0此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成。此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成。CPUCPU提供提供被读取块磁盘地址被读取块磁盘地址目标存储地址目标存储地址待读取字节数待读取字节数整块数据读进缓冲区整块数据读进缓冲区核准校验核准校验DMADMA工作示例工作示例（以硬盘为例）（以硬盘为例）DMADMA工作原理工作原理 存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数 送入送入DMADMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器控制器的内存地址寄存

32、器和传送字节计数器 中断允许位和启动位置成中断允许位和启动位置成1 1，启动设备，启动设备 发出传输要求的进程进入等待状态发出传输要求的进程进入等待状态 执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据CPUCPU 输入设备不断窃取输入设备不断窃取CPUCPU工作周期，数据不断写入内存工作周期，数据不断写入内存 传送完毕，发出中断信号传送完毕，发出中断信号 CPU CPU接到中断信号转入中断处理程序处理接到中断信号转入中断处理程序处理 中断处理结束，中断处理结束，CPUCPU返回原进程或切换到新的进程返回原进程或切换到新的进程5.4.4 5.4.4 缓冲技术缓冲

33、技术1. 1. 缓冲（缓冲（BufferBuffer）技术的引入）技术的引入 凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。技术。 在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/OI/O操作，操作，以缓解以缓解CPUCPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率。高资源利用率。缓冲技术缓冲技术 减少了减少了I/OI/O设备对处理器的中断请求次数设备对处理器的中断请求次数 简化了中断机制简化了中断机制 节省了系统开销节省了系统开销2.2.缓冲区设置缓冲区设置 硬缓冲：在设备中

34、设置缓冲区，由硬件实现硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现 软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区3.3.缓冲区管理缓冲区管理 单缓冲单缓冲 双缓冲双缓冲 缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理，构成缓缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理，构成缓冲池，池中设置了多个可供若干进程共享的缓冲冲池，池中设置了多个可供若干进程共享的缓冲区，避免内存的大量消耗。区，避免内存的大量消耗。4.CPU4.CPU高速缓冲高速缓冲 在计算机中，为了减少在计算机中，为了减少CPUCPU的等待时间，必须提高系的等待时间，必须提高系统主存储器的响应速度统主存储器的响应速度 为此使用

35、了高速缓存，用来存储为此使用了高速缓存，用来存储CPUCPU常用的代码常用的代码和数据信息和数据信息 在主存和在主存和CPUCPU通用寄存器之间设置一个高速的容量通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPUCPU在一段时间内使用。这对提高运行速度有很大的作在一段时间内使用。这对提高运行速度有很大的作用。用。高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系，一般规定高速缓冲与内存

36、的空间比为射关系，一般规定高速缓冲与内存的空间比为4 4：10001000，即，即128kB 128kB 高速缓冲可映射高速缓冲可映射32MB32MB内存，内存， 256kB 256kB 高速缓冲可高速缓冲可映射映射64MB64MB内存。内存。缓冲技术与虚拟设备技术的区别：缓冲技术与虚拟设备技术的区别： 目的不同目的不同 前者解决速度匹配问题，后者将独占设备转化为前者解决速度匹配问题，后者将独占设备转化为共享设备。共享设备。 存贮空间不同存贮空间不同 前者使用内存，后者使用外存。前者使用内存，后者使用外存。5.4.5 5.4.5 总线技术总线技术 新一代计算机出现，带来了总线技术的更新。新一代

37、计算机出现，带来了总线技术的更新。1.1.总线的基本概念总线的基本概念 在计算机系统内各种子系统，如在计算机系统内各种子系统，如CPUCPU、内存、内存、I/OI/O设备设备等之间，构建公用的信号或数据传输通道，这种可共等之间，构建公用的信号或数据传输通道，这种可共享连接的传输通道称为总线。享连接的传输通道称为总线。总线的分类总线的分类CPU-内存总线内存总线I/O总线总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线（非本课程范围）（非本课程范围）2. 2. 总线的分类总线的分类微型计算机微型计算机总线的种类和发展总线的种类和发展PCXT总线总线ISA总线总线MCA总线总线EISA总线总线

38、VESA总线总线 PCI总线总线USB总线总线.(过时过时)1394总线总线SCSI总线总线 3. USB3. USB技术技术USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是）通用串行总线，是一种连接一种连接I/O串行设备的技术标准。串行设备的技术标准。 冲破了计算机技术发展的两个历史局限性：冲破了计算机技术发展的两个历史局限性： （1）由于）由于I/O设备的接口标准的不一致和有限设备的接口标准的不一致和有限的接口数量已无法满足各种应用迫切需要；的接口数量已无法满足各种应用迫切需要； （2）传统的）传统的I/O设备的接口无法满足实时数据传输与设备的接口无法满足实时数据传输与多

39、媒体应用的需求。多媒体应用的需求。 USB以以WDM（Windows Driver Model）模型为基础，）模型为基础，WDM包含一套通用的包含一套通用的I/O服务和二进制兼容的设备驱服务和二进制兼容的设备驱动程序。动程序。 USB支持同步数据传输方式和异步数据传支持同步数据传输方式和异步数据传输方式，其数据传输率有低速输方式，其数据传输率有低速15Mbps和全速和全速12Mbps两种，比标准串口快两种，比标准串口快100倍，倍，比标准并口快比标准并口快10倍倍 USB可以主动为外部设备提供电源，允许外部可以主动为外部设备提供电源，允许外部设备快速连接，具有即插即用的功能设备快速连接，具有即

40、插即用的功能 允许外部设备的热插拔允许外部设备的热插拔4. SCSI4. SCSI接口技术接口技术 SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface）即小型）即小型计算机系统接口。计算机系统接口。SCSISCSI系统结构系统结构5.4.6 5.4.6 即插即用技术即插即用技术(Plug and Play(Plug and Play）计算机系统计算机系统I/OI/O设备与部件配置的应用技术。不需要设备与部件配置的应用技术。不需要进行任何设置操作。进行任何设置操作。PnPPnP技术的产生技术的产生 由于一

41、个系统可以配置多种外部设备，设备也经由于一个系统可以配置多种外部设备，设备也经常变动和更换，它们都要占有一定的系统资源，常变动和更换，它们都要占有一定的系统资源，彼此间在硬件和软件上可能会产生冲突。因此在彼此间在硬件和软件上可能会产生冲突。因此在系统中要正确地对它们进行配置和资源匹配；当系统中要正确地对它们进行配置和资源匹配；当设备撤除、添置和进行系统升级时，配置过程往设备撤除、添置和进行系统升级时，配置过程往往是一个困难的过程。往是一个困难的过程。PnPPnP技术的特点：技术的特点： （1 1）支持）支持I/OI/O设备及部件的自动配置，使用户能够简单设备及部件的自动配置，使用户能够简单方便

42、地使用系统扩充设备；方便地使用系统扩充设备； （2 2）减少由制造商装入的种种用户支持和限制，简）减少由制造商装入的种种用户支持和限制，简化部件的硬件跳接设置，使化部件的硬件跳接设置，使I/OI/O附加卡和部件不再附加卡和部件不再具有人工跳接线设置电路；具有人工跳接线设置电路； （3 3）在主机板和附加卡上保存系统资源的配置参数和）在主机板和附加卡上保存系统资源的配置参数和分配状态，有利于系统对整个分配状态，有利于系统对整个I/OI/O资源的分配和控制；资源的分配和控制； （4 4）支持和兼容各种操作系统平台，具有很强的扩）支持和兼容各种操作系统平台，具有很强的扩展性和可移植性；展性和可移植性

43、； （5 5）在一定程度上具有）在一定程度上具有“热插入热插入”、“热拼接热拼接”技术。技术。5.5 5.5 设备处理设备处理5.5.1 5.5.1 设备分配与回收设备分配与回收 当某进程向系统提出当某进程向系统提出I/OI/O请求时，设备分配程请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换。息交换。 设备独立性：即不能因为设备的忙碌、故障设备独立性：即不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的运行或更换而影响程序的运行, , 向用户屏蔽物向用户屏蔽物理设备理设备,

44、 , 呈现给用户的一个操作简单的逻呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备。辑设备。1. 1. 数据结构：数据结构： 设备控制表设备控制表DCTDCT 主要内容：设备类型、设备标识符、设备状主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表指针、重复执行的次数或态、指向控制器表指针、重复执行的次数或时间、等待队列的队首指针、时间、等待队列的队首指针、I/OI/O程序地址等。程序地址等。 DCT1DCT2DCTn设备类型设备类型设备标识符设备标识符设备状态设备状态指向控制器表的指针指向控制器表的指针重复执行次数或时间重复执行次数或时间设备队列的队首指针设备队列的队首指针设备控制器表集合设备控制器表

45、集合 系统设备表系统设备表SDTSDT 整个系统一张表，记录系统中所有整个系统一张表，记录系统中所有I/OI/O设备的设备的信息，表目包括：设备类型、设备标识符、进信息，表目包括：设备类型、设备标识符、进程标识符、程标识符、DCTDCT表指针等。表指针等。表目表目1 表目表目i 设备类型设备类型设备标识符设备标识符进程标识符进程标识符DCT驱动程序入口驱动程序入口 此外还有此外还有控制器控制表控制器控制表COCTCOCT和通道控制表和通道控制表CHCTCHCT，数据结构见书数据结构见书P162P162。 根据用户请求的根据用户请求的I/OI/O设备的逻辑名，查找逻辑设备的逻辑名，查找逻辑设备和

46、物理设备的映射表；以物理设备为索引，设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找查找SDTSDT，找到该设备所连接的，找到该设备所连接的DCTDCT；继续查找；继续查找与该设备连接的与该设备连接的COCTCOCT和和CHCTCHCT，就找到了一条通，就找到了一条通路。路。2.2.设备分配策略设备分配策略 由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则。原则。 考虑的因素：考虑的因素： * * I/O I/O设备的固有属性设备的固有属性 * * I/O I/O设备的分配算法设备

47、的分配算法 * * 设备分配的安全性设备分配的安全性 * * 与设备的无关性与设备的无关性1) 1) 独占设备的分配独占设备的分配 静态分配静态分配在进程运行前在进程运行前, , 完成设备分配；完成设备分配；运行结束时，收回设备。运行结束时，收回设备。 优点：实现简单，不会死锁。优点：实现简单，不会死锁。 缺点：设备利用率低。缺点：设备利用率低。 动态分配动态分配在进程运行过程中，当用户提出在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回。即收回。 优点：效率优点：效率 缺点：分配策略不好时缺点：分配策略不好时, , 产生死锁。产生死锁

48、。2) 2) 共享设备分配共享设备分配 在作业调度时仅作出静态决定，进程执行在作业调度时仅作出静态决定，进程执行时，才进行动态分配，即将时，才进行动态分配，即将I/OI/O请求形成请求形成I/OI/O请求块并按一定的原则加入到设备等待请求块并按一定的原则加入到设备等待队列。队列。5.5.2 5.5.2 设备驱动程序设备驱动程序 为了控制为了控制I/OI/O传输，实现传输，实现I/OI/O进程与设备控进程与设备控制器之间的通信，系统为每类设备编制设制器之间的通信，系统为每类设备编制设备驱动程序。备驱动程序。 任务主要负责接收和分析从设备分配转来任务主要负责接收和分析从设备分配转来的信息，并根据设

49、备分配的结果，结合具的信息，并根据设备分配的结果，结合具体物理设备特性完成以下具体工作：体物理设备特性完成以下具体工作：(1) (1) 预置设备的初始状态预置设备的初始状态(2) (2) 根据请求传输的数据量，组织根据请求传输的数据量，组织I/OI/O缓冲队列，缓冲队列，利用利用I/OI/O缓冲对数据进行加工，包括数据格式缓冲对数据进行加工，包括数据格式处理和编码转换处理和编码转换(3) (3) 构造构造I/OI/O程序（在有通道系统中，是通道程程序（在有通道系统中，是通道程序）序）(4) (4) 启动设备进行启动设备进行I/OI/O操作操作5.5.3 I/O5.5.3 I/O中断处理程序中断

50、处理程序 设备控制器向设备控制器向CPUCPU发送一个中断请求，发送一个中断请求，CPUCPU响应后便转向中断处理程序，处理来自设响应后便转向中断处理程序，处理来自设备或通道的中断。备或通道的中断。5.5.4 I/O5.5.4 I/O操作过程操作过程请求请求I/OI/O的进程、的进程、I/OI/O过程（过程（I/OI/O控制的接口控制的接口程序）、设备处理程序、中断处理程序。程序）、设备处理程序、中断处理程序。I/OI/O进程。几者之间关系如图。进程。几者之间关系如图。标识设备；执行出错检查；构成iorb；加入请求队列；唤醒因等I/O请求块而睡眠的I/O进程；取iorb；如无iorb则等；启动

51、I/O操作；/等I/O完成；执行出错检查；.唤醒等I/O的进程；I/O设备.中断服务；唤醒I/O进程；.doio(ldev,addr,)/等I/O完成.请求I/O的用户进程I/O过程I/O处理程序中断处理程序OS界面控制关系同步关系I/OI/O中断的进入中断的进入 当当I/OI/O中断发生时，内核中的中断处理程序中断发生时，内核中的中断处理程序发一条消息给发一条消息给I/OI/O进程，由进程，由I/OI/O进程负责判进程负责判断并处理中断断并处理中断I/OI/O进程进程 是系统进程，一般赋予最高优先级。一是系统进程，一般赋予最高优先级。一旦被唤醒，它可以很快抢占处理机投入运旦被唤醒，它可以很快

52、抢占处理机投入运行。行。5.6 5.6 典型外部设备典型外部设备 5.6.1 5.6.1 磁盘磁盘5.6.2 5.6.2 时钟时钟5.6.3 5.6.3 终端终端5.6.4 5.6.4 网络网络I/OI/O设备设备 5.6.1 5.6.1 磁盘磁盘 几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从存几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从存储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的优点：优点： 可用的存储容量非常大可用的存储容量非常大 价格非常低价格非常低 电源关掉后信息不会丢失电源关掉后信息不会丢失1.1.磁盘结构磁盘结构 磁盘包括一或多个盘片每片两面；磁盘包括一或

53、多个盘片每片两面； 每面分成若干条磁道（一般为每面分成若干条磁道（一般为50020005002000），磁道间），磁道间留有间歇；留有间歇； 每条磁道又被分成许多扇区（一般为每条磁道又被分成许多扇区（一般为1010010100），扇），扇区间留有间歇；每条磁道上扇区数目典型为区间留有间歇；每条磁道上扇区数目典型为8 8至至3232，每个扇区包含相同的字节数每个扇区包含相同的字节数 实际的硬盘都组织成许多柱面；实际的硬盘都组织成许多柱面； 磁盘格式化，见磁盘格式化，见P172P172图图5-225-22。2.2.RAM盘盘 RAM盘的思想很简单，它使用预先分配的主存来存储盘的思想很简单，它使用预

54、先分配的主存来存储数据块。数据块。RAM盘具有立即存取的优点（没有寻道和旋盘具有立即存取的优点（没有寻道和旋转延迟），适用于存储需要频繁存取的程序和数据。转延迟），适用于存储需要频繁存取的程序和数据。 实现实现RAM盘的思想：根据为盘的思想：根据为RAM盘分配内存的盘分配内存的大小，大小，RAM盘被分成盘被分成n块，每块的大小与实际磁块，每块的大小与实际磁盘块的大小相同。当驱动程序接收到一条读写一盘块的大小相同。当驱动程序接收到一条读写一块的消息时，它只计算被请求的块在块的消息时，它只计算被请求的块在RAM盘存盘存储区的位置，并读出或写入该块，而不对软盘或储区的位置，并读出或写入该块，而不对软

55、盘或硬盘进行读写。硬盘进行读写。5.6.2 时钟时钟 时钟（时钟（clock），又称为定时器（），又称为定时器（timer） (1) 时钟负责提供一天的时间时钟负责提供一天的时间 (2) 防止一个进程垄断防止一个进程垄断CPU 1.1.时钟硬件时钟硬件两种类型：两种类型： 比较简单的时钟被连到比较简单的时钟被连到110V或或220V的电源线上，每个的电源线上，每个电压周期产生一个中断，频率是电压周期产生一个中断，频率是50Hz或或60Hz。 另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器、计数另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器、计数器和存储寄存器器和存储寄存器 石英晶体产生的精确的周期信号，典型的范围

56、是石英晶体产生的精确的周期信号，典型的范围是5到到100MHz 信号送到到计数器，使其递减计数至信号送到到计数器，使其递减计数至0。当计数器。当计数器变为变为0时，产生一个时，产生一个CPU中断信号。中断信号。2. 时钟软件时钟软件 时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个中断。涉及时间的其他所有工作都必须由软件中断。涉及时间的其他所有工作都必须由软件时钟时钟驱动程序完成。驱动程序完成。 时钟软件功能：时钟软件功能： 1维护日期时间维护日期时间 2防止进程超时运行防止进程超时运行 3对对CPU的使用情况记帐的使用情况记帐 4处理用户进程提出的

57、处理用户进程提出的ALARM系统调用系统调用 5为系统本身各部分提供监视定时器为系统本身各部分提供监视定时器 6绘制绘制CPU运行直方图，完成监视和统计信息运行直方图，完成监视和统计信息收集收集5.6.3 终端终端 每台计算机都配有一个或多个终端与之通信每台计算机都配有一个或多个终端与之通信 为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不同型号的终端不必重写，终端驱动程序隐藏了各种类同型号的终端不必重写，终端驱动程序隐藏了各种类型终端的差异型终端的差异终端硬件终端硬件 根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类：根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类： （1）RS232标准接口标准接口 （2）存储映像终端）存储映像终端 RS232终端由键盘和显示器构成，通过串行接口终端由键盘和显示器构成，通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通