第7章 輸入輸出系統(tǒng)

7.1I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口7.2I/O設備和設備控制器7.3I/O中斷7.4設備驅動程序7.5設備分配與回收7.6假脫機技術7.7緩沖區(qū)管理7.8磁盤存儲器的性能和調(diào)度第七章輸入輸出系統(tǒng)7.1I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口第七章輸入輸出系統(tǒng)7.1

I/O系統(tǒng)的功能、模型和接口★I/O系統(tǒng)管理的主要對象

I/O設備和相應的設備控制器?！镏饕娜蝿胀瓿捎脩籼岢龅腎/O請求提高I/O速率提高設備的利用率為更高層的進程方便地使用這些設備提供手段。7.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能1.隱藏物理設備的細節(jié)2.與設備的無關性3.提高處理機和I/O設備的利用率4.對I/O設備進行控制5.能確保對設備的正確共享6.錯誤處理用戶打印時使用/dev/printer，可以調(diào)用任何空閑打印機7.1.3

I/O系統(tǒng)接口1.塊設備接口：是塊設備管理程序與高層之間的接口。2.流設備接口：是流設備管理程序與高層之間的接口，又稱字符設備接口。3.網(wǎng)絡通信接口：操作系統(tǒng)也必須提供相應的網(wǎng)絡軟件和網(wǎng)絡通信接口，使計算機能通過網(wǎng)絡與網(wǎng)絡上的其它計算機進行通信，或上網(wǎng)瀏覽。7.1.3

I/O系統(tǒng)接口7.2I/O設備和設備控制器第七章輸入輸出系統(tǒng)7.2.1

I/O設備

⑴I/O設備的類型

★按使用特性分類①存儲設備，也稱外存、輔存，是用以存儲信息的主要設備。該類設備存取速度較內(nèi)存慢，但容量卻大得多，價格也便宜。

②I/O設備，它又可分為輸入設備、輸出設備和交互式設備。

7.2.1

I/O設備

⑴I/O設備的類型

★按傳輸速率分類①低速設備：其傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設備，如鍵盤、鼠標器。

②中速設備：傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)十萬個字節(jié)的一類設備，如行式打印機、激光打印機等。

③高速設備：傳輸速率在數(shù)十萬字節(jié)至千兆字節(jié)的一類設備，如磁帶機、磁盤機、光盤機等。7.2.2設備控制器7.2.2設備控制器

⑴設備控制器的基本功能

①接收和識別命令

②數(shù)據(jù)交換

③標識和報告設備的狀態(tài)

④地址識別

⑤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)⑥差錯控制7.2.2設備控制器

⑵設備控制器的組成

①設備控制器與處理機的接口：用于實現(xiàn)CPU與設備控制器之間的通信，接口中共有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線。

②設備控制器與設備的接口：控制器中有一個或多個設備接口。在每個接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。

③I/O邏輯：I/O邏輯用于實現(xiàn)對設備的控制，接收CPU命令和地址譯碼。7.2.2設備控制器

⑵設備控制器的組成2.設備控制器

⑵設備控制器的組成7.3中斷和中斷處理程序第七章輸入輸出系統(tǒng)7.3.1中斷概述中斷：CPU對I/O設備發(fā)來的中斷信號的一種響應，中斷是由外部設備引起的，又稱外中斷。7.3.2中斷處理過程7.4設備驅動程序第七章輸入輸出系統(tǒng)

設備驅動程序的功能

(1)接收命令和參數(shù)；

(2)檢查用戶I/O請求的合法性；

(3)發(fā)出I/O命令；

(4)及時響應并處理由設備控制器發(fā)來的中斷請求。7.4.1設備驅動程序概述

★設備驅動程序的處理過程

1.將抽象要求轉換為具體要求。

2.對服務請求進行校驗。

3.檢查設備的狀態(tài)。

4.傳送必要的參數(shù)。

5.啟動I/O設備。7.4.2設備驅動程序的處理過程7.4.3對I/O設備的控制方式

★I/O控制方式的宗旨盡量減少主機對I/O控制的干預，把主機從繁雜的I/O控制事務中解脫出來，以便更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務。7.4.3對I/O設備的控制方式

1.程序直接控制方式

以字（節(jié)）為單位傳輸。

CPU的絕大部分時間，都處于等待I/O設備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測試中，造成對CPU的極大浪費。7.4.3對I/O設備的控制方式

2.中斷控制方式以字（節(jié)）為單位傳輸。

CPU和I/O設備可并行工作。中斷控制方式可以成百倍地提高CPU的利用率。7.4.3對I/O設備的控制方式

3.直接存儲器訪問方式①數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊；②所傳送的數(shù)據(jù)，是從設備直接送入內(nèi)存的，或者相反；③僅在傳送一個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時，才需CPU干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。

DMA方式又進一步提高了CPU與I/O設備的并行操作程度。3.直接存儲器訪問方式

（2）DMA控制器的組成

①主機與DMA控制器的接口；

②DMA控制器與塊設備的接口；

③I/O控制邏輯。為了實現(xiàn)在主機與控制器之間，成塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須在DMA控制器中，設置如下四類寄存器：

①命令/狀態(tài)寄存器CR；②內(nèi)存地址寄存器MAR；③數(shù)據(jù)寄存器DR；④數(shù)據(jù)計數(shù)器DC。3.直接存儲器訪問方式

（2）DMA控制器的組成3.直接存儲器訪問方式

（3）DMA工作過程返回4.I/O通道控制方式I/O通道是一種專門負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚砥?。I/O通道方式把對一個數(shù)據(jù)塊的為單位的干預，減少為對一組數(shù)據(jù)塊的干預。返回操作R0R1計數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE00501650WRITE112502720上節(jié)回顧

I/O系統(tǒng)的任務、功能和接口。設備和設備控制器（功能和組成）。中斷和中斷處理過程。設備驅動程序的處理過程。

I/O控制方式（程序控制、中斷、DMA和通道）7.5設備分配與回收第七章輸入輸出系統(tǒng)7.5.1

基本概念1.物理設備名

例如：1、2、5

2.邏輯設備名

例如：/dev/printer

3.邏輯設備名到物理設備名的轉換

根據(jù)邏輯設備名找到物理設備名。

4.設備無關性（設備獨立性）

應用程序中所用的設備，不局限于使用某個具體的物理設備。7.5.3設備分配

1.設備分配中的數(shù)據(jù)結構

(1)設備控制表DCT：每個設備配置一張記錄設備情況的表。

(2)控制器控制表COCT：每個控制器設置一張記錄控制器情況的表。

(3)通道控制表CHCT：每個通道設置一張記錄通道情況的表。

(4)系統(tǒng)設備表SDT：記錄系統(tǒng)中全部設備的情況，每個設備占一個表目。7.5.3設備分配

★設備控制表7.5.3設備分配

★控制器控制表和系統(tǒng)設備表7.5.3設備分配

2.設備分配時應考慮的因素

⑴設備的固有屬性（掌握）

①獨占設備：指在一段時間內(nèi)只允許一個進程使用的設備。②共享設備：指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設備。③虛擬設備：指通過虛擬技術將一臺獨占設備變換為若干臺供多個用戶進程共享的邏輯設備。7.5.3設備分配

2.設備分配時應考慮的因素

（2）設備分配中的安全性（掌握）

①安全分配方式：進程發(fā)出I/O請求后立即進入阻塞狀態(tài)，直到該I/O處理完成才被喚醒。

②不安全分配方式：進程發(fā)出一個I/O請求后，可繼續(xù)運行，需要時又可發(fā)出第二個、第三個I/O請求。僅當進程所請求的設備為其他進程所占有時，才進入阻塞狀態(tài)。7.5.3設備分配

3.獨占設備的分配程序

1）基本的設備分配程序

當某進程提出I/O請求后，系統(tǒng)的設備分配程序，可按下述步驟進行設備分配：

（1）分配設備：根據(jù)物理設備名查找系統(tǒng)設備表SDT，從中找出該設備的DCT。（2）分配控制器：在DCT中找出與該設備連接的控制器的COCT。

（3）分配通道：在COCT中查找與控制器連接的通道的CHCT。7.5.3設備分配3.獨占設備的分配程序

2）設備分配程序的改進進程以物理設備名提出I/O請求時，如果所指定的設備已分配給其它進程，則分配失敗。不具有與設備無關性。為獲得設備的獨立性，進程應使用邏輯設備名請求I/O。7.5.4邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)系統(tǒng)中需要配置一張邏輯設備表，用于將邏輯設備名映射為物理設備名。

1.邏輯設備表LUT(LogicalUnitTable)

在邏輯設備表的每個表目中包含了三項：邏輯設備名、物理設備名和設備驅動程序的入口地址。

返回7.5.4邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)上節(jié)回顧

物理設備名、邏輯設備名和設備無關性（設備獨立性）。設備分配的數(shù)據(jù)結構（DCT、COCT、CHCT、SDT）。設備的固有屬性（獨享設備、共享設備和虛擬設備）。設備分配的安全性（安全性分配和不安全性分配）。

邏輯設備到物理設備映射（LUT）。7.6假脫機技術第七章輸入輸出系統(tǒng)7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

脫機輸入/輸出方式輸入設備輸出設備外圍機外圍機磁盤磁盤主機7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

脫機輸入/輸出方式輸入設備輸出設備外圍機外圍機磁盤磁盤主機通過程序模擬外圍機的功能7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

1.假脫機技術（掌握）

在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進行的技術稱為Spooling技術，或稱為假脫機輸入輸出技術。

7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

2.假脫機系統(tǒng)的構成（掌握）輸入井和輸出井。輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)。輸入進程和輸出進程。7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

3.假脫機打印機系統(tǒng)

打印機屬于獨占設備。利用假脫機技術，可將它改造為一臺可供多個用戶共享的打印設備，從而提高設備的利用率，也方便了用戶。

7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

3.假脫機打印機系統(tǒng)7.6.2假脫機（Spooling）系統(tǒng)

4.假脫機打印機系統(tǒng)的特點

(1)提高了I/O的速度。

(2)將獨占設備改造為共享設備。

(3)實現(xiàn)了虛擬設備功能。7.7緩沖區(qū)管理第七章輸入輸出系統(tǒng)7.7.1緩沖的引入

1.緩和CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾

2.減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應時間的限制

3.提高CPU和I/O設備之間的并行性

7.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)

1.單緩沖區(qū)（掌握）

Max(C,T)+M7.7.2單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)

2.雙緩沖區(qū)（掌握）

Max(C,T)7.7.3環(huán)形緩沖區(qū)1.環(huán)形緩沖區(qū)的組成（掌握）R：空緩沖區(qū)。G：數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。C：工作緩沖區(qū)。

2.環(huán)形緩沖區(qū)的使用

(1)Getbuf過程：計算進程調(diào)用Getbuf過程使用緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

(2)Releasebuf過程：當計算進程把C緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提取完畢時，便調(diào)用Releasebuf過程，將緩沖區(qū)C釋放，改為空緩沖區(qū)R。7.7.3環(huán)形緩沖區(qū)7.7.4緩沖池(BufferPool)

1.緩沖池的組成空緩沖隊列emq輸入隊列inq輸出隊列outq

7.7.4緩沖池(BufferPool)

2.緩沖區(qū)的工作方式（掌握）

inqoutqemqhinsinsouthout用戶進程輸入設備輸出設備收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出緩沖池7.8磁盤存儲器的性能和調(diào)度第七章輸入輸出系統(tǒng)7.8.1磁盤性能簡述

1.數(shù)據(jù)的組織和格式磁盤設備可包括一個或多個物理盤片，每個磁盤片分一個或兩個存儲面，每個盤面上有若干個磁道，每條磁道又被從邏輯上劃分成若干個扇區(qū)（sectors），一個扇區(qū)稱為一個盤塊（或數(shù)據(jù)塊）。

1.數(shù)據(jù)的組織和格式

1.數(shù)據(jù)的組織和格式

2.磁盤的類型對磁盤，可以從不同