輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月除cpu及內(nèi)存以外的所有設(shè)備和裝置(I/O設(shè)備，存儲設(shè)備等)。一、設(shè)備：外部設(shè)備：打印機、顯示器、光盤、磁盤(硬、軟)、鍵盤、磁帶等存儲設(shè)備：用來存放各種信息的設(shè)備稱為存儲設(shè)備，例如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等；I/O設(shè)備：用來向計算機輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。在現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中有些設(shè)備既可以做存儲設(shè)備，也可以做I/O設(shè)備，例如，軟盤、硬盤等。5.1概述第2頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月1.按所屬關(guān)系系統(tǒng)設(shè)備–––在o.s生成時已登記于系統(tǒng)中的標準設(shè)備用戶設(shè)備–––在o.s生成時未已登記于系統(tǒng)中的非標準設(shè)備二、設(shè)備的簡單分類第3頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月2.按資源分配角度：獨占設(shè)備：一次只能分給一個用戶使用共享設(shè)備：可供多個作業(yè)進程共享虛擬設(shè)備：使用spooling技術(shù)使獨占型設(shè)備成為共享設(shè)備，從而提高了設(shè)備利用率和系統(tǒng)的效率，這種技術(shù)被稱為虛擬設(shè)備技術(shù)，實現(xiàn)這一技術(shù)的硬件和軟件系統(tǒng)被稱為SPOOLing，或稱為假脫機系統(tǒng)。第4頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月3.按基本信息單位分：字符設(shè)備

–––處理信息以單個字符為單位，慢(如：打印機)塊設(shè)備

–––以一組數(shù)據(jù)為單位(512字節(jié))，快(如：磁盤)第5頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備管理目的提高效率：提高I/O訪問效率，匹配CPU和多種不同處理速度的外設(shè)方便使用：方便用戶使用，對不同類型的設(shè)備統(tǒng)一使用方法，協(xié)調(diào)對設(shè)備的并發(fā)使用方便控制：方便OS內(nèi)部對設(shè)備的控制：增加和刪除設(shè)備，適應(yīng)新的設(shè)備類型第6頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備管理的目標提高各種外部設(shè)備的工作效率向用戶提供使用方便且獨立于設(shè)備的統(tǒng)一界面（設(shè)備的獨立性）對各種外部設(shè)備采用盡可能統(tǒng)一的管理方法，設(shè)計一個簡練、可靠、易于維護的設(shè)備管理系統(tǒng)。第7頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月由于具體物理設(shè)備的多樣性、復雜性，編制輸入輸出程序是相當復雜。由操作系統(tǒng)來負責輸入輸出工作，使系統(tǒng)形成一種對“用戶友好”的環(huán)境。方便性：向用戶提供使用方便且獨立于設(shè)備的統(tǒng)一界面對不同設(shè)備都使用同一套界面。統(tǒng)一性：第8頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月由操作系統(tǒng)實現(xiàn)具體設(shè)備的物理I/o操作，用戶僅使用邏輯設(shè)備名，這樣用戶僅與邏輯設(shè)備有關(guān)，而與具體的物理設(shè)備無關(guān)－－設(shè)備獨立性。一個程序應(yīng)該與給定設(shè)備類型中的哪一臺設(shè)備供其使用無關(guān)。要求用戶程序盡可能地與設(shè)備類型無關(guān)。程序是從“虛擬設(shè)備”上進行操作。設(shè)備獨立性：第9頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月為了提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)效率，設(shè)備管理的設(shè)計應(yīng)能使各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與CPU并行運行，使各設(shè)備充分地并行工作。并行性：提高各種外部設(shè)備的工作效率由于輸入輸出操作往往成為計算機系統(tǒng)中的“瓶頸”部分，因此設(shè)備管理設(shè)計應(yīng)盡可能地使設(shè)備有效地工作，考慮各設(shè)備忙閑的均衡性，避免忙閑不均現(xiàn)象。有效性與均衡性：第10頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月計算機外部設(shè)備種類繁多，特性各異。主要表現(xiàn)在：（1）速度

（2）傳輸單位

對各種外部設(shè)備采用盡可能統(tǒng)一的管理方法（3）容許的操作（4）出錯條件第11頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備管理的基本功能記錄系統(tǒng)中所有設(shè)備、控制器和通道的狀態(tài)，以掌握系統(tǒng)中的I/O設(shè)備資源及其使用情況。－－I/O交通控制程序按一定的算法在諸爭用進程間調(diào)度和分配設(shè)備－－

I/O調(diào)度程序完成實際的I/O操作－－通道執(zhí)行通道程序第12頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月I/O操作由程序發(fā)起，并等待操作完成。數(shù)據(jù)的每次讀寫通過CPU。在與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)時，首先查詢外設(shè)的狀態(tài)，僅當外設(shè)準備好時，才在CPU與外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)。缺點：CPU與外設(shè)是異步工作的，在外設(shè)進行數(shù)據(jù)處理時，CPU只能等待。5.3輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序查詢方式----I/O控制方式早期的設(shè)備控制方式采用。第13頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月CPU與外設(shè)并行操作，僅當外設(shè)準備好向CPU傳送數(shù)據(jù)時，才向CPU發(fā)中斷請求，請求CPU為其服務(wù)。即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，進行I／O服務(wù)，在主機與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)。采用這種方式要求控制寄存器中有一個中斷位。優(yōu)點：在外設(shè)進行數(shù)據(jù)處理時，CPU不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行該程序或其他程序。缺點：CPU每次處理的數(shù)據(jù)量少（通常不超過幾個字節(jié)），只適于數(shù)據(jù)傳輸率較低的設(shè)備。程序中斷方式第14頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月由程序設(shè)置DMA控制器中的若干寄存器值（如內(nèi)存始址，傳送字節(jié)數(shù)），然后發(fā)起I/O操作，而后者完成內(nèi)存與外設(shè)的成批數(shù)據(jù)交換，在操作完成時由DMA控制器向CPU發(fā)出中斷。以“竊取”總線周期的方式，在存儲器與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)。優(yōu)點：CPU只需干預I/O操作的開始和結(jié)束，而其中的一批數(shù)據(jù)讀寫無需CPU控制，適于高速設(shè)備，常用于塊設(shè)備傳輸系統(tǒng)中。缺點：完成簡單的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足復雜I/O直接存取訪問方式(DMA,DirectMemoryAccess)第15頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月通道傳送方式(channel)在大、中型和高檔小型計算機系統(tǒng)中，大多采用通道技術(shù)CPU與通道并行工作，由通道實現(xiàn)在存儲器與外設(shè)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送。I/O通道是一種特殊的處理機，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通道（I/O）程序來控制I/O操作。通道只能執(zhí)行與I/O操作有關(guān)的指令，其指令類型單一；通道沒有自己的內(nèi)存，即通道與CPU共享內(nèi)存。第16頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)代計算機I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：由通道、控制器和設(shè)備三級組成I/O操作要經(jīng)過三級控制：第一級由CPU執(zhí)行I/O指令，啟動或停止通道，查詢通道狀態(tài)；第二級是在通道接收CPU的通道命令字后，由通道執(zhí)行為其準備的通道程序，向控制器發(fā)命令；第三級由控制器根據(jù)通道發(fā)出的命令控制外設(shè)完成I/O操作。第18頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月由于外設(shè)資源的有限，需解決進程間的外設(shè)共享問題，以提高外設(shè)資源的利用率。設(shè)備分配是對進程使用外設(shè)過程的管理。系統(tǒng)必須有一個合理的設(shè)備分配機制，并且要保證系統(tǒng)的安全性，消除諸進程競爭資源而導致死鎖的現(xiàn)象。5.2設(shè)備分配設(shè)備分配的原則是合理使用外設(shè)(公平和避免死鎖)，提高設(shè)備利用率。第19頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月獨占、共享和虛擬設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配策略設(shè)備分類：獨占設(shè)備：打印機等；共享設(shè)備：磁盤、網(wǎng)卡等；虛擬設(shè)備分配策略：獨占方式：

設(shè)備利用率不高，不利于共享共享方式：

虛擬方式：

提高系統(tǒng)和I/O設(shè)備的利用率，減少進程在運行期間等待I/O操作的時間。第20頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備分配算法先請求先服務(wù)：按I/O請求的先后順序，排成I/O請求命令隊列；按FCFS分配設(shè)備；優(yōu)先權(quán)高者優(yōu)先：依據(jù)進程的優(yōu)先級，指定I/O請求的優(yōu)先級，排成不同優(yōu)先級隊列；按優(yōu)先級高低分配設(shè)備。對優(yōu)先權(quán)相同的進程，則按先請求先服務(wù)算法分配。設(shè)備分配中的安全性多進程請求使用I/O設(shè)備時，應(yīng)進行安全性檢查，以防止因相互等待對方進程釋放其所占設(shè)備而導致死鎖。靜態(tài)分配法動態(tài)分配法第21頁，課件共23頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)備獨立性（物理設(shè)備和邏輯設(shè)備）邏輯設(shè)備：用戶程序中所涉及的該類物理設(shè)備特性的抽象；目的：實現(xiàn)用戶程序與物理設(shè)備的無關(guān)性

系統(tǒng)規(guī)定，在用戶程序中不直接使用物理設(shè)備名，而使用邏輯設(shè)備名。優(yōu)點：改善設(shè)備利