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(shè)備和設(shè)備控制器7.3I/O中斷7.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序7.5設(shè)備分配與回收7.6假脫機(jī)技術(shù)7.7緩沖區(qū)管理7.8磁盤(pán)存儲(chǔ)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(duì)象

I/O設(shè)備和相應(yīng)的設(shè)備控制器。★主要的任務(wù)完成用戶(hù)提出的I/O請(qǐng)求提高I/O速率提高設(shè)備的利用率為更高層的進(jìn)程方便地使用這些設(shè)備提供手段。7.1.1I/O系統(tǒng)的基本功能1.隱藏物理設(shè)備的細(xì)節(jié)2.與設(shè)備的無(wú)關(guān)性3.提高處理機(jī)和I/O設(shè)備的利用率4.對(duì)I/O設(shè)備進(jìn)行控制5.能確保對(duì)設(shè)備的正確共享6.錯(cuò)誤處理用戶(hù)打印時(shí)使用/dev/printer，可以調(diào)用任何空閑打印機(jī)7.1.3

I/O系統(tǒng)接口1.塊設(shè)備接口：是塊設(shè)備管理程序與高層之間的接口。2.流設(shè)備接口：是流設(shè)備管理程序與高層之間的接口，又稱(chēng)字符設(shè)備接口。3.網(wǎng)絡(luò)通信接口：操作系統(tǒng)也必須提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)軟件和網(wǎng)絡(luò)通信接口，使計(jì)算機(jī)能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)上的其它計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，或上網(wǎng)瀏覽。7.1.3

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

I/O設(shè)備

⑴I/O設(shè)備的類(lèi)型

★按使用特性分類(lèi)①存儲(chǔ)設(shè)備，也稱(chēng)外存、輔存，是用以存儲(chǔ)信息的主要設(shè)備。該類(lèi)設(shè)備存取速度較內(nèi)存慢，但容量卻大得多，價(jià)格也便宜。

②I/O設(shè)備，它又可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和交互式設(shè)備。

7.2.1

I/O設(shè)備

⑴I/O設(shè)備的類(lèi)型

★按傳輸速率分類(lèi)①低速設(shè)備：其傳輸速率僅為每秒鐘幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百個(gè)字節(jié)的一類(lèi)設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器。

②中速設(shè)備：傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)十萬(wàn)個(gè)字節(jié)的一類(lèi)設(shè)備，如行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等。

③高速設(shè)備：傳輸速率在數(shù)十萬(wàn)字節(jié)至千兆字節(jié)的一類(lèi)設(shè)備，如磁帶機(jī)、磁盤(pán)機(jī)、光盤(pán)機(jī)等。7.2.2設(shè)備控制器7.2.2設(shè)備控制器

⑴設(shè)備控制器的基本功能

①接收和識(shí)別命令

②數(shù)據(jù)交換

③標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)

④地址識(shí)別

⑤數(shù)據(jù)緩沖區(qū)⑥差錯(cuò)控制7.2.2設(shè)備控制器

⑵設(shè)備控制器的組成

①設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口：用于實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信，接口中共有三類(lèi)信號(hào)線(xiàn)：數(shù)據(jù)線(xiàn)、地址線(xiàn)和控制線(xiàn)。

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

③I/O邏輯：I/O邏輯用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，接收CPU命令和地址譯碼。7.2.2設(shè)備控制器

⑵設(shè)備控制器的組成2.設(shè)備控制器

⑵設(shè)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(duì)I/O設(shè)備發(fā)來(lái)的中斷信號(hào)的一種響應(yīng)，中斷是由外部設(shè)備引起的，又稱(chēng)外中斷。7.3.2中斷處理過(guò)程7.4設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序第七章輸入輸出系統(tǒng)

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能

(1)接收命令和參數(shù)；

(2)檢查用戶(hù)I/O請(qǐng)求的合法性；

(3)發(fā)出I/O命令；

(4)及時(shí)響應(yīng)并處理由設(shè)備控制器發(fā)來(lái)的中斷請(qǐng)求。7.4.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序概述

★設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程

1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。

2.對(duì)服務(wù)請(qǐng)求進(jìn)行校驗(yàn)。

3.檢查設(shè)備的狀態(tài)。

4.傳送必要的參數(shù)。

5.啟動(dòng)I/O設(shè)備。7.4.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程7.4.3對(duì)I/O設(shè)備的控制方式

★I/O控制方式的宗旨盡量減少主機(jī)對(duì)I/O控制的干預(yù)，把主機(jī)從繁雜的I/O控制事務(wù)中解脫出來(lái)，以便更多地去完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)。7.4.3對(duì)I/O設(shè)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(shí)間，都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測(cè)試中，造成對(duì)CPU的極大浪費(fèi)。7.4.3對(duì)I/O設(shè)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(shè)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(duì)I/O設(shè)備的控制方式

3.直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)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(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反；③僅在傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，才需CPU干預(yù)，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(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。3.直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)方式

（2）DMA控制器的組成

①主機(jī)與DMA控制器的接口；

②DMA控制器與塊設(shè)備的接口；

③I/O控制邏輯。為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)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(shè)置如下四類(lèi)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(jì)數(shù)器DC。3.直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)方式

（2）DMA控制器的組成3.直接存儲(chǔ)器訪(fǎng)問(wèn)方式

（3）DMA工作過(guò)程返回4.I/O通道控制方式I/O通道是一種專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚砥?。I/O通道方式把對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的為單位的干預(yù)，減少為對(duì)一組數(shù)據(jù)塊的干預(yù)。返回操作R0R1計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE00501650WRITE112502720上節(jié)回顧

I/O系統(tǒng)的任務(wù)、功能和接口。設(shè)備和設(shè)備控制器（功能和組成）。中斷和中斷處理過(guò)程。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過(guò)程。

I/O控制方式（程序控制、中斷、DMA和通道）7.5設(shè)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(shè)備名

例如：1、2、5

2.邏輯設(shè)備名

例如：/dev/printer

3.邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的轉(zhuǎn)換

根據(jù)邏輯設(shè)備名找到物理設(shè)備名。

4.設(shè)備無(wú)關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）

應(yīng)用程序中所用的設(shè)備，不局限于使用某個(gè)具體的物理設(shè)備。7.5.3設(shè)備分配

1.設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)設(shè)備控制表DCT：每個(gè)設(shè)備配置一張記錄設(shè)備情況的表。

(2)控制器控制表COCT：每個(gè)控制器設(shè)置一張記錄控制器情況的表。

(3)通道控制表CHCT：每個(gè)通道設(shè)置一張記錄通道情況的表。

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

★設(shè)備控制表7.5.3設(shè)備分配

★控制器控制表和系統(tǒng)設(shè)備表7.5.3設(shè)備分配

2.設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素

⑴設(shè)備的固有屬性（掌握）

①獨(dú)占設(shè)備：指在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備。②共享設(shè)備：指在一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)的設(shè)備。③虛擬設(shè)備：指通過(guò)虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)供多個(gè)用戶(hù)進(jìn)程共享的邏輯設(shè)備。7.5.3設(shè)備分配

2.設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素

（2）設(shè)備分配中的安全性（掌握）

①安全分配方式：進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后立即進(jìn)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(jìn)程發(fā)出一個(gè)I/O請(qǐng)求后，可繼續(xù)運(yùn)行，需要時(shí)又可發(fā)出第二個(gè)、第三個(gè)I/O請(qǐng)求。僅當(dāng)進(jìn)程所請(qǐng)求的設(shè)備為其他進(jìn)程所占有時(shí)，才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。7.5.3設(shè)備分配

3.獨(dú)占設(shè)備的分配程序

1）基本的設(shè)備分配程序

當(dāng)某進(jìn)程提出I/O請(qǐng)求后，系統(tǒng)的設(shè)備分配程序，可按下述步驟進(jìn)行設(shè)備分配：

（1）分配設(shè)備：根據(jù)物理設(shè)備名查找系統(tǒng)設(shè)備表SDT，從中找出該設(shè)備的DCT。（2）分配控制器：在DCT中找出與該設(shè)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(shè)備分配3.獨(dú)占設(shè)備的分配程序

2）設(shè)備分配程序的改進(jìn)進(jìn)程以物理設(shè)備名提出I/O請(qǐng)求時(shí)，如果所指定的設(shè)備已分配給其它進(jìn)程，則分配失敗。不具有與設(shè)備無(wú)關(guān)性。為獲得設(shè)備的獨(dú)立性，進(jìn)程應(yīng)使用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/O。7.5.4邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中需要配置一張邏輯設(shè)備表，用于將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名。

1.邏輯設(shè)備表LUT(LogicalUnitTable)

在邏輯設(shè)備表的每個(gè)表目中包含了三項(xiàng)：邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的入口地址。

返回7.5.4邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)上節(jié)回顧

物理設(shè)備名、邏輯設(shè)備名和設(shè)備無(wú)關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）。設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（DCT、COCT、CHCT、SDT）。設(shè)備的固有屬性（獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備）。設(shè)備分配的安全性（安全性分配和不安全性分配）。

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

脫機(jī)輸入/輸出方式輸入設(shè)備輸出設(shè)備外圍機(jī)外圍機(jī)磁盤(pán)磁盤(pán)主機(jī)7.6.2假脫機(jī)（Spooling）系統(tǒng)

脫機(jī)輸入/輸出方式輸入設(shè)備輸出設(shè)備外圍機(jī)外圍機(jī)磁盤(pán)磁盤(pán)主機(jī)通過(guò)程序模擬外圍機(jī)的功能7.6.2假脫機(jī)（Spooling）系統(tǒng)

1.假脫機(jī)技術(shù)（掌握）

在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行的技術(shù)稱(chēng)為Spooling技術(shù)，或稱(chēng)為假脫機(jī)輸入輸出技術(shù)。

7.6.2假脫機(jī)（Spooling）系統(tǒng)

2.假脫機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)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(jìn)程和輸出進(jìn)程。7.6.2假脫機(jī)（Spooling）系統(tǒng)

3.假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)

打印機(jī)屬于獨(dú)占設(shè)備。利用假脫機(jī)技術(shù)，可將它改造為一臺(tái)可供多個(gè)用戶(hù)共享的打印設(shè)備，從而提高設(shè)備的利用率，也方便了用戶(hù)。

7.6.2假脫機(jī)（Spooling）系統(tǒng)

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

4.假脫機(jī)打印機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)

(1)提高了I/O的速度。

(2)將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。

(3)實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)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(shè)備間速度不匹配的矛盾

2.減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制

3.提高CPU和I/O設(shè)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(guò)程：計(jì)算進(jìn)程調(diào)用Getbuf過(guò)程使用緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。

(2)Releasebuf過(guò)程：當(dāng)計(jì)算進(jìn)程把C緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)提取完畢時(shí)，便調(diào)用Releasebuf過(guò)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(duì)列emq輸入隊(duì)列inq輸出隊(duì)列outq

7.7.4緩沖池(BufferPool)

2.緩沖區(qū)的工作方式（掌握）

inqoutqemqhinsinsouthout用戶(hù)進(jìn)程輸入設(shè)備輸出設(shè)備收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出緩沖池7.8磁盤(pán)存儲(chǔ)器的性能和調(diào)度第七章輸入輸出系統(tǒng)7.8.1磁盤(pán)性能簡(jiǎn)述

1.數(shù)據(jù)的組織和格式磁盤(pán)設(shè)備可包括一個(gè)或多個(gè)物理盤(pán)片，每個(gè)磁盤(pán)片分一個(gè)或兩個(gè)存儲(chǔ)面，每個(gè)盤(pán)面上有若干個(gè)磁道，每條磁道又被從邏輯上劃分成若干個(gè)扇區(qū)（sectors），一個(gè)扇區(qū)稱(chēng)為一個(gè)盤(pán)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(pán)的類(lèi)型對(duì)磁盤(pán)，可以從不同