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操作系统原理操作系统原理第六章第六章 输入输入/输出系统输出系统简介简介 I/O设备：指计算机所能控制的一切控制对象及设备：指计算机所能控制的一切控制对象及相相联系的媒体，既包括了联系的媒体，既包括了I/O物理设备，又包括设备控物理设备，又包括设备控制制器，中断控制器，器，中断控制器，I/O通道，虚拟设备。通道，虚拟设备。I/O系统：系统：I/O硬件和硬件和OS设备管理的设备管理的I/O软件统称软件统称为为I/O系统。系统。I/O操作：内存与操作：内存与I/O设备之间的信息传送。设备之间的信息传送。5/26/202426.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构6.1.1 I/O6.1.1 I/O设备类型设备类型1.按使用特性分类：存储设备、输入按使用特性分类：存储设备、输入/输出设备、终端输出设备、终端设备以及脱机设备。设备以及脱机设备。外部设备外部设备磁带磁带磁盘磁盘其他（磁鼓、光盘等）其他（磁鼓、光盘等）软盘软盘硬盘硬盘键盘键盘打印机打印机显示器显示器图形输入图形输入/输出设备输出设备图像输入图像输入/输出设备输出设备绘图机绘图机声音输入声音输入/输出设备输出设备网络通信板网络通信板其他其他通用终端通用终端专用终端专用终端虚拟终端虚拟终端会话型会话型批处理型批处理型智能终端智能终端脱机设备脱机设备终端设备终端设备输入输出设备输入输出设备存储设备存储设备5/26/202436.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构2.按所属关系分类按所属关系分类p系统设备：系统生成时就已登记在系统设备：系统生成时就已登记在OS中，纳入中，纳入OS的管理范围的标准设备。的管理范围的标准设备。例例 键盘，显示器，磁盘等。键盘，显示器，磁盘等。p用户设备：用户设备：OS生成时未登记的非标准设备，由用生成时未登记的非标准设备，由用户向户向OS提供驱动程序以便提供驱动程序以便OS代管。代管。例例 MS-DOS中，系统配置文件中，系统配置文件config.sys中，使用中，使用DEVICE命令把特定的设备驱动程序安装，格式为：命令把特定的设备驱动程序安装，格式为：DEVICEC:CD-ROMIDESONYIDE.SYS5/26/202446.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构3.按资源分配角度分类按资源分配角度分类p独占设备：一段时间内只允许一个用户使用的设备，独占设备：一段时间内只允许一个用户使用的设备，一旦分配给某个进程使用，就为其独占，直到运行一旦分配给某个进程使用，就为其独占，直到运行完成，才释放给完成，才释放给OS。否则，不能保证信息的完整。否则，不能保证信息的完整和连续性。是排它性使用。和连续性。是排它性使用。例例 打印机，终端等多数低速的字符设备都属于独占设备。打印机，终端等多数低速的字符设备都属于独占设备。p共享设备：一段时间内允许多个进程同时使用的设共享设备：一段时间内允许多个进程同时使用的设备，宏观上它们同时使用，微观上交替的对它进行备，宏观上它们同时使用，微观上交替的对它进行信息读和写操作。是可寻址和可随机访问的设备。信息读和写操作。是可寻址和可随机访问的设备。例如：磁盘，几个进程可以同时交替的从一台磁盘机上读例如：磁盘，几个进程可以同时交替的从一台磁盘机上读/写信息。写信息。共享设备有较高的利用率，是文件系统的基础。共享设备有较高的利用率，是文件系统的基础。5/26/202456.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构p虚拟设备虚拟设备(Virtual Device)：以大容量外存为支持，：以大容量外存为支持，通过虚拟技术通过虚拟技术(Spooling)将一台独占设备改造成共将一台独占设备改造成共享的设备，这种改造后的设备是一种逻辑上概念上享的设备，这种改造后的设备是一种逻辑上概念上的设备，称为虚拟设备。的设备，称为虚拟设备。例例 采用假脱机技术，用磁盘的一部分空间来代替打印机，采用假脱机技术，用磁盘的一部分空间来代替打印机，用户的打印操作实际上是对磁盘的写操作，一旦打印机不忙，用户的打印操作实际上是对磁盘的写操作，一旦打印机不忙，再从盘上取出打印，将慢速的独占设备改造成了可共享的设再从盘上取出打印，将慢速的独占设备改造成了可共享的设备。备。5/26/202466.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构4.按传输数据数量分类按传输数据数量分类p字符设备。每次传输数据以字节为单位的设备称为字符设备。每次传输数据以字节为单位的设备称为字符设备，如打印机、终端、键盘等；字符设备，如打印机、终端、键盘等；p块设备。以数据块为单位进行传输的设备称为块设块设备。以数据块为单位进行传输的设备称为块设备，如磁盘、磁带等高速外存储器等。备，如磁盘、磁带等高速外存储器等。5/26/202476.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构6.1.2 I/O6.1.2 I/O设备的物理特性设备的物理特性1.磁盘磁盘 硬盘是一种主要的电脑存储媒介，由一个或者多硬盘是一种主要的电脑存储媒介，由一个或者多个铝制或者玻璃制的碟片组成。硬盘是由多个盘片组个铝制或者玻璃制的碟片组成。硬盘是由多个盘片组成的。每个盘片分正反两面，按顺序可称为成的。每个盘片分正反两面，按顺序可称为0面、面、1面、面、2面、面、3面等，具体多少由硬盘的种类和型号而定。硬面等，具体多少由硬盘的种类和型号而定。硬盘的存储介质是磁介质，用于长久地保存数据。磁介盘的存储介质是磁介质，用于长久地保存数据。磁介质上的每一个同心圆称为一个磁道质上的每一个同心圆称为一个磁道(track)，最外面的，最外面的叫叫0磁道，往里逐渐递增；每一个磁道又分为多个扇磁道，往里逐渐递增；每一个磁道又分为多个扇区区(sector)；硬盘上下同面上的相同磁道如果作为一；硬盘上下同面上的相同磁道如果作为一个整体来看，就称为柱面个整体来看，就称为柱面(cylinder)。所以，硬盘的。所以，硬盘的存存储容量由面数、每面磁道数、每磁道扇区数据、每扇储容量由面数、每面磁道数、每磁道扇区数据、每扇区字节数决定。区字节数决定。5/26/202486.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构2.时钟时钟分类：分类：p简单时钟，连接到电力线上，以简单时钟，连接到电力线上，以50Hz或或60Hz频率频率在每个电压周期产生中断；在每个电压周期产生中断；p可编程时钟：由晶振、计数器和保持寄存器构成。可编程时钟：由晶振、计数器和保持寄存器构成。晶振产生非常精确的周期信号，将信号送入计数器晶振产生非常精确的周期信号，将信号送入计数器使其递减，计数器为零时产生一个中断。使其递减，计数器为零时产生一个中断。可编程时钟的操作模式：单触发模式（可编程时钟的操作模式：单触发模式（One-shot Mode）中，产生中断后，停止工作，直至在此被软）中，产生中断后，停止工作，直至在此被软件启动；方波模式（件启动；方波模式（Square-wave Mode）中，计数）中，计数器计数至零并引起中断后，保持寄存器自动拷贝到计器计数至零并引起中断后，保持寄存器自动拷贝到计数器，不断重复。数器，不断重复。5/26/202496.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构时钟软件的任务：时钟软件的任务：p维护日期和时间；维护日期和时间；p防止进程运行时间超过允许界限；防止进程运行时间超过允许界限；p对对CPU使用进行记账；使用进行记账；p处理用户进程提出的时间闹钟系统调用；处理用户进程提出的时间闹钟系统调用；p对系统某些部分提供监视定时器；对系统某些部分提供监视定时器；p支持直方图监视和统计信息搜索。支持直方图监视和统计信息搜索。5/26/2024106.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构3.终端终端 终端的分类、型号较多，需要终端驱动程序屏蔽终端的分类、型号较多，需要终端驱动程序屏蔽其细节。根据操作系统如何与终端通信，将终端分三其细节。根据操作系统如何与终端通信，将终端分三类：存储映像终端、类：存储映像终端、RS-232串行接口和网络接口终串行接口和网络接口终端。端。p存储映像终端，包括键盘和显示器。存储映像终端使用称为存储映像终端，包括键盘和显示器。存储映像终端使用称为视频视频RAM（Video RAM）的特殊存储器，视频）的特殊存储器，视频RAM是计算是计算机地址空间的一部分，通过和其他地址空间一样的方式对它机地址空间的一部分，通过和其他地址空间一样的方式对它进行访问。视频存储卡上有一个芯片称为视频控制器进行访问。视频存储卡上有一个芯片称为视频控制器（Video Controller）,这个芯片从视频这个芯片从视频RAM中取出字符，中取出字符，产生用于驱动显示器（监视器）的视频信号。产生用于驱动显示器（监视器）的视频信号。pRS-232终端。通过一次传输一位的串行口与计算机通信，终端。通过一次传输一位的串行口与计算机通信，通常用于计算机远程通信，两者之间使用调制解调器及电话通常用于计算机远程通信，两者之间使用调制解调器及电话线。线。pX终端。包含和主机终端。包含和主机CPU一样强大的一样强大的CPU，还包含一定容量，还包含一定容量的主存、键盘和鼠标。的主存、键盘和鼠标。5/26/2024116.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构6.1.3 I/O6.1.3 I/O系统的硬件组织系统的硬件组织 计算机系统中，输入计算机系统中，输入/输出是指主存和外围设备之间的数输出是指主存和外围设备之间的数据据传输操作。在多道程序设计技术引入系统之后，输入、输出操传输操作。在多道程序设计技术引入系统之后，输入、输出操作的能力不仅影响计算机的通用性和可扩充性，而且也成为计作的能力不仅影响计算机的通用性和可扩充性，而且也成为计算机系统的综合处理能力和性能价格比的重要因素。算机系统的综合处理能力和性能价格比的重要因素。1.I/O控制方式控制方式（1）循环）循环I/O测试方式。循环测试方式。循环I/O测试方式是一种用程序直接测试方式是一种用程序直接控制控制I/O操作的方式。计算机的操作的方式。计算机的I/O测试指令，通过测试一台测试指令，通过测试一台设备的忙设备的忙/闲标志，决定主存和外设之间是否要传输一个字闲标志，决定主存和外设之间是否要传输一个字符或一个字。这种方式下，中央处理机花费大量时间在等待符或一个字。这种方式下，中央处理机花费大量时间在等待输入、输出的循环检测上。输入、输出的循环检测上。5/26/2024126.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构（2）程序中断）程序中断I/O方式。中断机构引入后，外围设备有了反映方式。中断机构引入后，外围设备有了反映自身状态的能力，仅当自身状态的能力，仅当I/O操作正常或异常结束后才中断中操作正常或异常结束后才中断中央处理机，从而实现一定程序的并行操作。央处理机，从而实现一定程序的并行操作。（3）DMA（Direct Memory Access）方式。汉语的意思就）方式。汉语的意思就是直接内存访问，是一种不经过是直接内存访问，是一种不经过CPU而直接从内存里存取而直接从内存里存取数据的数据交换模式。数据的数据交换模式。PIO模式下硬盘和内存之间的数据传模式下硬盘和内存之间的数据传输是由输是由 CPU来控制的；而在来控制的；而在DMA模式下，模式下，CPU只须向只须向DMA控制器下达指令，让控制器下达指令，让DMA控制器来处理数的传送，数控制器来处理数的传送，数据传送完毕再把信息反馈给据传送完毕再把信息反馈给CPU，这样就很大程度上减轻，这样就很大程度上减轻了了CPU资源占有率。资源占有率。DMA模式与模式与PIO模式的区别就在于，模式的区别就在于，DMA模式不过分依赖模式不过分依赖CPU，可以大大节省系统资源，二者，可以大大节省系统资源，二者在传输速度上的差异并不十分明显。在传输速度上的差异并不十分明显。5/26/2024136.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构采用采用DMA方式的数据传输处理过程如下：方式的数据传输处理过程如下：p当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入数据的把准备存放输入数据的内存始址及要传输的字节数分别送入内存始址及要传输的字节数分别送入DMA控制器中的内存控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器；另外，还要把控制地址寄存器和传送字节计数器；另外，还要把控制/状态寄状态寄存器中的中断允许位和启动位置存器中的中断允许位和启动位置1，从而启动设备，开始数，从而启动设备，开始数据输入；据输入；p发出数据输入要求的进程进入阻塞状态，进程调度程序调度发出数据输入要求的进程进入阻塞状态，进程调度程序调度其它进程占有其它进程占有CPU；p输入设备不断地挪用输入设备不断地挪用CPU工作周期，将数据从内部缓冲区工作周期，将数据从内部缓冲区源源不断地送入内存，直至所要求的字节数全部传送完毕；源源不断地送入内存，直至所要求的字节数全部传送完毕；pDMA控制器在传输完成时通过中断请求线发出中断信号，控制器在传输完成时通过中断请求线发出中断信号，CPU接到中断信号后转中断处理程序进行相应处理；接到中断信号后转中断处理程序进行相应处理；p中断处理结束后，中断处理结束后，CPU返回被中断的进程或去运行重新被返回被中断的进程或去运行重新被调度的进程。调度的进程。5/26/2024146.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构（4）通道方式。为了获得通道方式。为了获得CPU和外设之间更高的并行能力，和外设之间更高的并行能力，也为了让种类繁多、物理特性各异的外设能以标准的接口方也为了让种类繁多、物理特性各异的外设能以标准的接口方式连接到系统中，计算机系统引入了各自独立体系的通道结式连接到系统中，计算机系统引入了各自独立体系的通道结构。通道的出现是现代计算机系统功能不断完善、性能不断构。通道的出现是现代计算机系统功能不断完善、性能不断提高的结果，是计算机技术的一个重要进步。提高的结果，是计算机技术的一个重要进步。5/26/2024156.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构2.设备控制器设备控制器 I/O设备通常由机械和电子部件组成。为了达到设备通常由机械和电子部件组成。为了达到设设计的模块化和通用性，一般将它们分开。其中的电子计的模块化和通用性，一般将它们分开。其中的电子部件称为设备控制器。操作系统一般只与设备控制器部件称为设备控制器。操作系统一般只与设备控制器打交道。打交道。设备控制器处于设备控制器处于CPU和设备之间，既要与和设备之间，既要与CPU通通信，又要与设备通信，还应具有按照信，又要与设备通信，还应具有按照CPU所发来命令所发来命令去控制设备操作的功能。去控制设备操作的功能。5/26/2024166.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构现有大多数设备控制器由三部分组成：现有大多数设备控制器由三部分组成：p设备控制器与设备控制器与CPU的接口。该接口用于实现设备控的接口。该接口用于实现设备控制器与制器与CPU之间的通信。该接口中有三类信号线：之间的通信。该接口中有三类信号线：数据线、地址线、控制线。数据线通常与数据控制数据线、地址线、控制线。数据线通常与数据控制器和控制器和控制/状态寄存器连接。状态寄存器连接。数据寄存器。设备控制器中可以有一个或多个数据寄存数据寄存器。设备控制器中可以有一个或多个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据（输入）或从器，用于存放从设备送来的数据（输入）或从CPU送来送来的数据（输出）。的数据（输出）。控制控制/状态寄存器。在控制器中同样可以有一个或多个控状态寄存器。在控制器中同样可以有一个或多个控制制/状态寄存器，用于存放从状态寄存器，用于存放从CPU送来的控制信息或由设送来的控制信息或由设备产生的状态信息。备产生的状态信息。5/26/2024176.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构p设备控制器与设备的接口。在一个设备控制器上，设备控制器与设备的接口。在一个设备控制器上，可以连接一台或多台设备。相应地，在控制器中就可以连接一台或多台设备。相应地，在控制器中就有一个或多个设备接口，一个接口连接一台设备，有一个或多个设备接口，一个接口连接一台设备，在每个接口中都有数据、控制和状态三种类型信号。在每个接口中都有数据、控制和状态三种类型信号。数据信号。控制器的任务是把从数据信号。控制器的任务是把从CPU来的字节流转换成来的字节流转换成相应的位流传递给设备，或把从设备来的位流装换成字相应的位流传递给设备，或把从设备来的位流装换成字节流送给节流送给CPU。控制信号。通常是输出信号，用于指示设备执行读、写控制信号。通常是输出信号，用于指示设备执行读、写等操作的信号。等操作的信号。状态信号。通常是输入信号，用于指示设备的当前状态。状态信号。通常是输入信号，用于指示设备的当前状态。pI/O逻辑。用于对逻辑。用于对I/O的控制，通过一组控制线与的控制，通过一组控制线与CPU交互。交互。CPU利用该逻辑向控制器发送利用该逻辑向控制器发送I/O命令；命令；I/O逻辑对接收到的命令进行译码。逻辑对接收到的命令进行译码。5/26/2024186.1 I/O系统的硬件结构系统的硬件结构I/O逻辑逻辑控制器控制器与设备与设备接口接口i控制器控制器与设备与设备接口接口lCPU与控制器接口与控制器接口数据寄存器数据寄存器控制控制/状态状态寄存器寄存器数据数据状态状态控制控制数据数据状态状态控制控制数据线数据线地址线地址线控制线控制线5/26/2024196.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统 计算机的计算机的I/O系统可采用多重模型：单总线模型、系统可采用多重模型：单总线模型、多总线模型和通道模型。多总线模型和通道模型。通道又称通道又称I/O处理机，其处理机，其I/O系统结构如图。系统结构如图。主存主存通道通道通道通道控制器控制器控制器控制器控制器控制器控制器控制器设备设备A设备设备B设备设备C设备设备D设备设备E设备设备F设备设备G设备设备H5/26/2024206.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统6.2.1 6.2.1 通道类型通道类型1.字节多路通道字节多路通道 为连接大量慢速外围设备而设置。以字节为单位交叉地工为连接大量慢速外围设备而设置。以字节为单位交叉地工作。当一台设备传送一个字节后，立即转去为另一设备传送一作。当一台设备传送一个字节后，立即转去为另一设备传送一个字节。个字节。2.选择通道选择通道 用于连接磁带、磁鼓和磁盘等快速设备，以成组方式工作。用于连接磁带、磁鼓和磁盘等快速设备，以成组方式工作。每次传送一批数据，传输速度快，但这段时间内只能为一台设每次传送一批数据，传输速度快，但这段时间内只能为一台设备服务。备服务。3.数组多路通道数组多路通道 磁盘这样的外围设备，虽然传送信息很快，但移臂定位时磁盘这样的外围设备，虽然传送信息很快，但移臂定位时间很长。数据多路通道，先为一台设备执行一条通道命令，然间很长。数据多路通道，先为一台设备执行一条通道命令，然后自动转换，为另一台设备执行一条通道命令。后自动转换，为另一台设备执行一条通道命令。5/26/2024216.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统6.2.2 6.2.2 多通路多通路I/OI/O系统系统 由于通道成本高，数量上远比设备少。为使设备由于通道成本高，数量上远比设备少。为使设备能得到充分利用，在通道、控制器和设备的连接上，能得到充分利用，在通道、控制器和设备的连接上，采用多通路的配置方案，可以提高设备利用的灵活性。采用多通路的配置方案，可以提高设备利用的灵活性。主存主存通道通道A通道通道B控制器控制器C控制器控制器D设备设备E设备设备F设备设备G设备设备H5/26/2024226.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统6.2.3 6.2.3 通道命令和通道程序通道命令和通道程序 I/O通道作为通道作为I/O处理机具有自己的指令系统。一处理机具有自己的指令系统。一条通道命令称为一个通道命令字（条通道命令称为一个通道命令字（CCW），用通道），用通道命命令编写的程序称为通道程序，也叫令编写的程序称为通道程序，也叫I/O程序。程序。5/26/2024236.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统1.通道命令及其格式通道命令及其格式通常，计算机系统的通常，计算机系统的I/O具有三类基本通道操作：具有三类基本通道操作：p数据传送类，如读、写、反读、断定（检验设备状态）数据传送类，如读、写、反读、断定（检验设备状态）p设备控制类，如控制换页、磁带反绕等设备控制类，如控制换页、磁带反绕等p转移类，即通道程序内部的控制转移。转移类，即通道程序内部的控制转移。每条通道命令由四个字段组成：每条通道命令由四个字段组成：p操作码（操作码（07）：表示通道要执行的命令；）：表示通道要执行的命令；p数据主存始址：表示本命令要访问的主存数据区的起始地址；数据主存始址：表示本命令要访问的主存数据区的起始地址；p特征位（特征位（3247，只使用了，只使用了3236位，其余未用）：位，其余未用）：3739位必须置位必须置0，否则认为通道命令错。，否则认为通道命令错。p字节计数（字节计数（4863位）规定了数据区的字节数。数据主存位）规定了数据区的字节数。数据主存始址和字节计数这两个字段主要用于数据传送类命令。始址和字节计数这两个字段主要用于数据传送类命令。5/26/2024246.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统特征位进一步规定了本通道命令的意义：特征位进一步规定了本通道命令的意义：p数据链特征（数据链特征（32位）当该位为位）当该位为1时，在执行本命令后，使计时，在执行本命令后，使计数器为数器为0并取下一条并取下一条CCW，下一条，下一条CCW（它规定了新的数（它规定了新的数据主存始址、特征和计数）继续执行原来的操作；据主存始址、特征和计数）继续执行原来的操作；p命令链特征（命令链特征（33位）该位为位）该位为1时，当前命令正常结束后，顺时，当前命令正常结束后，顺序执行下一条序执行下一条CCW；p禁发长度错特征（禁发长度错特征（34位）该位为位）该位为1，表示对不正确的数据长，表示对不正确的数据长度不发出错信号。度不发出错信号。p跳读特征（跳读特征（35位）该位为位）该位为1，表示禁止数据传送到内存。，表示禁止数据传送到内存。p程序控制中断特征（程序控制中断特征（36位）该位为位）该位为1，只要取出，只要取出CCW并开始并开始操作，通道就向操作，通道就向CPU发中断信号。发中断信号。5/26/2024256.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统2.通道地址字和通道状态字通道地址字和通道状态字 通道进行输入通道进行输入/输出操作期间，要访问两个固定内输出操作期间，要访问两个固定内存单元：通道地址字（存单元：通道地址字（CAW）通道状态字（）通道状态字（CSW）。）。p通道地址字的格式如图通道地址字的格式如图p通道状态字的格式如图通道状态字的格式如图0347831钥钥0000通道程序首地址通道程序首地址0347831323940474863钥钥0000下一条下一条CCW地址地址设备状态设备状态通道状态通道状态剩余计数剩余计数5/26/2024266.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统p设备状态字节与通道状态字节内容如图设备状态字节与通道状态字节内容如图3233343536373839注注意意状状态态修修正正控控制制器器结结束束忙忙碌碌通通道道结结束束设设备备结结束束设设备备出出错错设设备备例例外外4041424344454647程程序序控控制制中中断断传传送送长长度度错错程程序序出出错错存存储储保保护护错错通通道道数数据据错错通通道道控控制制错错接接口口操操作作错错链链出出错错5/26/2024276.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统6.2.4 CPU6.2.4 CPU和通道间的通讯和通道间的通讯1.输入输入/输出指令输出指令 输入输入/输出指令是中央处理机的指令，在一般计算输出指令是中央处理机的指令，在一般计算机中，这类指令均为特权指令，只能在管态下运行，机中，这类指令均为特权指令，只能在管态下运行，否则作为出错引起程序中断。否则作为出错引起程序中断。当用户程序要求在主存和当用户程序要求在主存和I/O设备间传送数据时，设备间传送数据时，在用户程序中以广义指令或系统调用的形式向操作系在用户程序中以广义指令或系统调用的形式向操作系统提出统提出I/O请求。请求。5/26/2024286.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统2.CPU和通道间的通讯和通道间的通讯 CPU和通道之间的关系是主从关系，和通道之间的关系是主从关系，CPU是主设是主设备，通道是从设备。备，通道是从设备。CPU和通道之间的通讯方式是：和通道之间的通讯方式是：p由由CPU向向I/O通道发通道发I/O指令，命令通道工作，并检指令，命令通道工作，并检查其工作情况；查其工作情况；p通道以中断方式向通道以中断方式向CPU汇报，等候汇报，等候CPU处理。处理。5/26/2024296.2 采用通道模型的采用通道模型的I/O系统系统CPU启动外围设备工作过程如图启动外围设备工作过程如图中央处理机中央处理机通道通道设备和设备和设备控制器设备控制器用户进程用户进程操作系统操作系统进程进程i系统调用系统调用（I/O请求）请求）进程进程j保护进程保护进程i的现场的现场组织通道程序组织通道程序存存CAW到固定单元到固定单元执行执行SIO指令指令检查条件码检查条件码启动成功启动成功进程进程i阻塞阻塞重新调度进程重新调度进程j运行运行分析中断事件分析中断事件处理处理I/O中断中断激活进程激活进程I重新调度重新调度中断进程中断进程j保护现场保护现场判断状态形成条件码判断状态形成条件码执行通道程序执行通道程序控制设备操作控制设备操作执行情况登记在执行情况登记在CSW中中出现中断事件出现中断事件CSW送固定单元送固定单元通道号、设备号通道号、设备号送入特定寄存器送入特定寄存器执行执行规定规定操作操作5/26/2024306.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.1 I/O6.3.1 I/O软件设计的目标软件设计的目标p将软件组织成一种层次结构，低层软件用来屏蔽硬将软件组织成一种层次结构，低层软件用来屏蔽硬件的细节，高层软件主要为用户提供一个简洁、规件的细节，高层软件主要为用户提供一个简洁、规范的接口。范的接口。p错误处理：一般说来，对于错误处理：一般说来，对于I/O错误应尽可能地由靠错误应尽可能地由靠近它的硬件进行处理。近它的硬件进行处理。p同步传输与异步传输同步传输与异步传输。异步传输：是指异步传输：是指CPU发出发出I/O指令，启动设备传输后，不指令，启动设备传输后，不等待等待I/O完成就返回继续运行其他的程序。完成就返回继续运行其他的程序。同步传输：是用户程序请求系统执行同步传输：是用户程序请求系统执行I/O后，相应的进程后，相应的进程则转入阻塞态，等待则转入阻塞态，等待I/O完成后，再继续运行。完成后，再继续运行。5/26/2024316.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织 操作系统中一般把操作系统中一般把I/O软件的结构分成四个层次。软件的结构分成四个层次。按照由高层向低层的排列次序，四个层次是：按照由高层向低层的排列次序，四个层次是：p中断处理程序中断处理程序p设备驱动程序设备驱动程序p与设备无关的与设备无关的I/O软件软件p用户空间的用户空间的I/O软件软件5/26/2024326.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.2 6.3.2 中断处理程序中断处理程序 中断处理程序位于中断处理程序位于I/O系统的最低层。当进程需系统的最低层。当进程需要要进行进行I/O操作时，操作系统应将该进程挂起，直至操作时，操作系统应将该进程挂起，直至I/O操作结束并发生中断。中断发生时，中断处理程序执操作结束并发生中断。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。行相应的操作，以解除相应进程的阻塞状态。5/26/2024336.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.3 6.3.3 设备驱动程序设备驱动程序p设备驱动程序的功能设备驱动程序的功能根据传送要求设置根据传送要求设置I/O接口中有关的各种控制寄存器的值。接口中有关的各种控制寄存器的值。向有关的向有关的I/O设备发出控制命令，启动设备、通道或设备发出控制命令，启动设备、通道或DMA控制器工作，并且进行一些设备错误的检测和处理。控制器工作，并且进行一些设备错误的检测和处理。对该类设备的对该类设备的I/O请求队列、睡眠、唤醒等操作进行处理。请求队列、睡眠、唤醒等操作进行处理。p设备驱动程序的结构：通常，设备驱动程序与设备设备驱动程序的结构：通常，设备驱动程序与设备类型是一一对应的，系统为每一种类型的设备设置类型是一一对应的，系统为每一种类型的设备设置一个设备驱动程序一个设备驱动程序。为了对驱动子程序进行统一管理，系统为每一类为了对驱动子程序进行统一管理，系统为每一类设备又设置了一个数据结构，来存放这些操作子程序设备又设置了一个数据结构，来存放这些操作子程序的入口地址，这个数据结构称为设备开关表的入口地址，这个数据结构称为设备开关表DSTDST(Device Switch Table)(Device Switch Table)。5/26/2024346.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.4 6.3.4 与设备无关的与设备无关的I/OI/O软件软件 在在I/O软件中，除了设备驱动程序与设备的硬件软件中，除了设备驱动程序与设备的硬件特特性相关以外，大部分软件是与设备无关的。下表给出性相关以外，大部分软件是与设备无关的。下表给出了与设备无关软件所实现的典型功能。了与设备无关软件所实现的典型功能。设备驱动程序的统一接口设备驱动程序的统一接口设备命名设备命名设备保护设备保护提供与设备无关的逻辑块提供与设备无关的逻辑块缓冲缓冲存储设备的块分配存储设备的块分配独占设备的分配和释放独占设备的分配和释放错误处理错误处理5/26/2024356.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织1.设备命名：设备命名：I/O软件中，对软件中，对I/O设备采用了统一命名。设备名设备采用了统一命名。设备名包含了主设备号和次设备号。包含了主设备号和次设备号。2.设备保护：设备保护防止未授权的用户对设备的使用或者用设备保护：设备保护防止未授权的用户对设备的使用或者用户的非法使用。户的非法使用。3.与设备无关的块大小：与设备无关的软件隐藏各种设备的空与设备无关的块大小：与设备无关的软件隐藏各种设备的空间大小，存取速度上的差异，而向上层软件提供大小统一的间大小，存取速度上的差异，而向上层软件提供大小统一的逻辑块逻辑块。4.数据缓冲：缓冲技术可以解决数据传送过程中的瓶颈问题，数据缓冲：缓冲技术可以解决数据传送过程中的瓶颈问题，提高并行程度。块设备和字符设备都要使用缓冲区传送数据。提高并行程度。块设备和字符设备都要使用缓冲区传送数据。5.数据块的分配：在创建或者更新一个文件时，都要向磁盘文数据块的分配：在创建或者更新一个文件时，都要向磁盘文件中写入数据，就要为该文件文件分配新的物理块。件中写入数据，就要为该文件文件分配新的物理块。6.对独占设备的分配与释放：对于独占设备的分配和释放属于对独占设备的分配与释放：对于独占设备的分配和释放属于临界资源的管理，用户进程只能排它性地使用该类资源。临界资源的管理，用户进程只能排它性地使用该类资源。7.错误处理：对于错误的处理，基本上是错误处理：对于错误的处理，基本上是I/O中断处理程序和中断处理程序和设备驱动程序共同完成的。设备驱动程序共同完成的。5/26/2024366.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.5 6.3.5 用户空间的用户空间的I/OI/O软件软件 绝大部分的绝大部分的I/O软件都包含在操作系统中，是在软件都包含在操作系统中，是在内内核态下运行的。但是仍有一小部分核态下运行的。但是仍有一小部分I/O软件是和用户软件是和用户程程序装配在一起序装配在一起,在用户态下运行。它们通常以库函数形在用户态下运行。它们通常以库函数形式出现。式出现。例例 一个用一个用C语言编写的程序可以安排如下系统调用：语言编写的程序可以安排如下系统调用：n_received=read(fd，buf，nbytes)另一种重要的类型是另一种重要的类型是Spooling系统，是在多道程系统，是在多道程序设计中处理独占设备的一种方法。序设计中处理独占设备的一种方法。5/26/2024376.3 I/O系统的软件组织系统的软件组织6.3.6 I/O6.3.6 I/O系统软件的层次结构系统软件的层次结构层次层次用户进程用户进程进行进行I/O调用；格式化调用；格式化I/O；Spooling设备无关软件设备无关软件命名，保护，阻塞，缓冲，分配命名，保护，阻塞，缓冲，分配设备驱动程序设备驱动程序建立设备寄存器；检查状态建立设备寄存器；检查状态中断处理程序中断处理程序当当I/O结束时，唤醒驱动程序结束时，唤醒驱动程序硬件硬件执行执行I/O操作操作I/O应答应答I/O功能功能I/O请求请求5/26/2024386.4 缓冲技术缓冲技术引入目的：引入目的：p缓解缓解CPU与外设速度差距，提高与外设速度差距，提高CPU与与I/O设备之设备之间的并行性。间的并行性。p减少减少I/O中断次数和中断次数和CPU的中断处理时间。的中断处理时间。虽然通道技术和中断技术为计算机系统的并行活虽然通道技术和中断技术为计算机系统的并行活动提供了强有力的支持，但由于动提供了强有力的支持，但由于CPU与外设之间的不与外设之间的不匹配，使得它们之间的并行程度并未得到充分发挥。匹配，使得它们之间的并行程度并未得到充分发挥。缓冲技术的引入可明显地提高缓冲技术的引入可明显地提高CPU和外设并行程度，和外设并行程度，提高系统的处理能力和设备的利用率。提高系统的处理能力和设备的利用率。5/26/2024396.4 缓冲技术缓冲技术 缓冲技术的基本思想是在缓冲技术的基本思想是在CPU和外设之间设立缓和外设之间设立缓冲区，用于暂存冲区，用于暂存CPU和外设之间交换的数据，从而缓和外设之间交换的数据，从而缓和和CPU和外设速度不匹配所产生矛盾。缓冲技术包括和外设速度不匹配所产生矛盾。缓冲技术包括输入缓冲和输出缓冲。输入缓冲和输出缓冲。缓冲区按使用方式有专用缓冲区和通用缓冲区。缓冲区按使用方式有专用缓冲区和通用缓冲区。专用缓冲区是专为某一设备而设置的缓冲区，为该设专用缓冲区是专为某一设备而设置的缓冲区，为该设备所专用，占有一定的内存空间，如键盘缓冲区。通备所专用，占有一定的内存空间，如键盘缓冲区。通用缓冲区可为多个设备所共享，按其组织方式，可分用缓冲区可为多个设备所共享，按其组织方式，可分为单缓冲、双缓冲以及缓冲池。为单缓冲、双缓冲以及缓冲池。5/26/2024406.4 缓冲技术缓冲技术6.4.1 6.4.1 单缓冲单缓冲 单缓冲，是指在操作系统中设置一个缓冲区，供单缓冲，是指在操作系统中设置一个缓冲区，供用户进程和操作系统之间交换数据使用。用户进程和操作系统之间交换数据使用。p缺点：缺点：I/O设备并行性差，效率低。设备并行性差，效率低。用户进程用户进程操作系统操作系统I/O设备设备5/26/2024416.4 缓冲技术缓冲技术6.4.2 6.4.2 双缓冲双缓冲 在操作系统中为某一设备设置两个缓冲区，当一在操作系统中为某一设备设置两个缓冲区，当一个缓冲区中的数据尚未被处理时可用另一缓冲区存放个缓冲区中的数据尚未被处理时可用另一缓冲区存放从设备读入的数据，借此来平滑从设备读入的数据，借此来平滑CPU和和I/O设备之间设备之间速度的差异。速度的差异。双缓冲可以进一步扩充成多缓冲。此时操作系统双缓冲可以进一步扩充成多缓冲。此时操作系统和用户进程将轮流地使用多个缓冲区，以改善系统的和用户进程将轮流地使用多个缓冲区，以改善系统的性能。但是，系统性能并不是随着缓冲区的数量不断性能。但是，系统性能并不