设备处理技术讲义(-)课件

05:0105:01第五章第五章 设备管理设备管理5.1 概述概述5.2 I/O软件软件5.3 I/O系统系统硬件硬件5.4 有关技术有关技术5.5 设备处理设备处理5.6 典型外部设备典型外部设备 05:0105:015.1 5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 I/OI/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2.2.I/OI/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)(1)CPUCPU性能不等于系统性能性能不等于系统性能,响应时间也是一个重要因素响应时间也是一个重要因素(2)(2)CPUCPU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05:0105:013.操作系统庞大复杂的原因是：资源多、杂，并发，均来自I/O4.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05:0105:015.1.2 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05:0105:012.2.按数据组织分按数据组织分 块块设设备备以以数数据据块块为为单单位位存存储储、传传输信息，如磁盘，磁带。输信息，如磁盘，磁带。字字符符设设备备以以字字符符为为单单位位存存储储、传传输输信息，如打印机，终端。信息，如打印机，终端。05:0105:013.3.按外部设备的从属关系分按外部设备的从属关系分 系系统统设设备备指指操操作作系系统统生生成成时时，登登记记在在系系统统中中的的标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等）标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等）用用户户设设备备指指在在系系统统生生成成时时，未未登登记记在在系系统统中中的的非非标标准准设设备备。对对于于这这类类设设备备的的处处理理程程序序由由用用户户提提供供，并并将将其其纳纳入入系系统统，由由系系统统代代替替用用户户实实施施管理。（如管理。（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）05:0105:014.4.从资源分配角度分从资源分配角度分 独独占占设设备备在在一一段段时时间间内内只只能能有有一一个个进进程程使使用用的的设设备备，一一般般为为低低速速I/OI/O设设备备。（如如打打印印机机，磁带等）磁带等）共共享享设设备备在在一一段段时时间间内内可可有有多多个个进进程程共共同同使使用用的的设设备备，多多个个进进程程以以交交叉叉的的方方式式来来使使用用设设备备，其资源利用率高。（如硬盘）其资源利用率高。（如硬盘）05:0105:01虚虚拟拟设设备备在在一一类类设设备备上上模模拟拟另另一一类类设设备备，常常用用共共享享设设备备模模拟拟独独占占设设备备，用用高高速速设设备备模模拟拟低低速速设设备备，被被模模拟拟的的设设备备称称为为虚虚拟拟设设备。备。目目的的：将将慢慢速速的的独独占占设设备备改改造造成成多多个个用用户户可共享的设备，提高设备的利用率可共享的设备，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）05:0105:015.5.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05:0105:015.1.3 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.按按照照用用户户的的请请求求，控控制制设设备备的的各各种种操操作作，完完成成I/OI/O设设备备与与内内存存之之间间的的数数据据交交换换（包包括括设设备备分分配配与与回回收收；设设备备驱驱动动程程序序；设设备备中中断断处处理理；缓缓冲区管理），最终完成用户的冲区管理），最终完成用户的I/OI/O请求请求05:0105:01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 记记录录设设备备的的状状态态，根根据据用用户户的的请请求求和和设设备备的的类类型型，采采用用一一定定的的分分配配算算法法，选选择择一一条条数数据通路据通路 。（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）完成设备驱动程序，实现真正的的I/OI/O操作操作（4 4）处理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05:0105:012.2.向向用用户户提提供供使使用用外外部部设设备备的的方方便便接接口口，使使用用户户 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）05:0105:013.3.充充分分利利用用各各种种技技术术（通通道道，中中断断，缓缓冲冲等等）提提高高CPUCPU与与设设备备、设设备备与与设设备备之之间间的的并并行行工工作能力，充分利用资源，提高资源利用率。作能力，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）05:0105:014.4.保保证证在在多多道道程程序序环环境境下下，当当多多个个进进程程竞竞争争使使用用设设备备时时，按按一一定定策策略略分分配配和和管管理理各各种种设设备备，使使系系统统能能有有条条不不紊紊地地工作。工作。5.5.保护保护 设设备备传传送送或或管管理理的的数数据据应应该该是是安安全全的的、不被破坏的、保密的。不被破坏的、保密的。05:0105:016 6.设备独立性设备独立性 用用户户在在编编制制程程序序时时，使使用用逻逻辑辑设设备备名名，由由系系统统实实现现从从逻逻辑辑设设备备到到物物理理设设备备（实际设备）的转换（实际设备）的转换 用用户户能能独独立立于于具具体体物物理理设设备备而而方方便便的的使用设备使用设备05:0105:015.1.4 5.1.4 I/OI/O技术技术I/OI/O控制方式控制方式：程序：程序I/OI/O方式、中断方式、方式、中断方式、通道方式、通道方式、DMADMA方式。这也是数据传送控方式。这也是数据传送控制的四种方式。制的四种方式。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。05:0105:015.5.2 I/O2 I/O软件软件 I/OI/O软软件件的的基基本本思思想想是是按按分分层层的的思思想想构构成成，较较低低层层软软件件要要使使较较高高层层软软件件独独立立于于硬硬件件的的特特性性，较较高高层层软软件件则则要要向向用用户户提提供供一一个个友友好好的的、清清晰晰的的、简单的、功能更强的接口。简单的、功能更强的接口。05:0105:015.5.2 2.1.1 I/O I/O软件的目标软件的目标 在在设设计计I/OI/O软软件件时时的的一一个个关关键键概概念念是是设设备备独独立立性性。用用户户在在编编写写使使用用软软盘盘或或硬硬盘盘上上文文件件的的程程序序时时，无无需需为为不不同同的的设设备备类类型型而修改程序就可以使用。而修改程序就可以使用。与与设设备备独独立立性性密密切切相相关关的的是是统统一一命命名名这这一一目目标标。一一个个文文件件或或一一个个设设备备的的名名字字只只应应是是一一个个简简单单的的字字符符串串或或一一个个整整数数，不不应依赖于设备。应依赖于设备。05:0105:01 出出错错处处理理是是I/OI/O软软件件的的另另一一个个目目标标。一一般般来来说说，数数据据传传输输中中的的错错误误应应尽尽可可能能地在接近硬件层上处理地在接近硬件层上处理 最最后后一一个个问问题题是是可可共共享享设设备备和和独独占占设设备备的处理问题的处理问题05:0105:015.2.2 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 与与设设备备密密切切相相关关的的代代码码放放在在设设备备驱驱动动程程序序中中，每每个个设设备备驱驱动动程程序序处处理理一一种种设设备备类类型。型。05:0105:01 5 5.2.4.2.4 与设备无关的软件与设备无关的软件 虽虽然然I/OI/O软软件件中中一一部部分分是是设设备备专专用用的的，但但大大部部分分软软件件是是与与设设备备无无关关的的。设设备备驱驱动动程程序序与与设设备备独独立立软软件件之之间间的的确确切切界限是依赖于具体系统的。界限是依赖于具体系统的。05:0105:0105:0105:01 1.1.独独立立于于设设备备的的软软件件的的基基本本任任务务是是实实现现所所有有设设备备都都需需要要的的功功能能，并并且且向向用用户户级级软软件件提供一个统一的接口。提供一个统一的接口。2.2.如如何何给给文文件件和和设设备备这这样样的的对对象象命命名名是是操操作作系系统统中中的的一一个个主主要要课课题题。独独立立于于设设备备的的软软件件负负责责把把设设备备的的符符号号名名映映射射到到正正确确的的设设备驱动上。备驱动上。3.3.设备保护设备保护 系系统统如如何何防防止止无无权权存存取取设设备备的的用用户户存存取取设备呢？设备呢？05:0105:01 4.4.不不同同的的磁磁盘盘可可以以采采用用不不同同的的扇扇区区尺尺寸寸。向向较较高高层层软软件件掩掩盖盖这这一一事事实实并并提提供供大大小小统统一一的的块块尺尺寸寸，这这正正是是设设备备独独立立软软件件的的一一个个任任务务。它它可可将将若若干干扇扇区区合合成成一一个个逻逻辑辑块块。这这样样，较较高高层层的的软软件件只只与与抽抽象象设设备备打打交交道道，独独立立于于物物理理扇扇区区的的尺尺寸而使用等长的逻辑块。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 05:0105:01 5 5.2.5.2.5 用户空间的用户空间的I/OI/O软件软件 尽尽管管大大部部分分I/OI/O软软件件都都包包含含在在操操作作系系统统中中，但但仍仍有有一一小小部部分分是是由由与与用用户户程程序序连连接接在在一一起起的的库库过过程程，甚甚至至完完全全由由运运行行于于核核外外的的程程序序构构成成。系系统统调调用用，包包括括I/OI/O系统调用，通常由库过程实现。系统调用，通常由库过程实现。这这些些过过程程所所做做的的工工作作只只是是将将系系统统调调用用时时所所用用的的参参数数放在合适的位置，由其它的放在合适的位置，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。05:0105:0105:0105:01（1 1）用用户户进进程程层层执执行行输输入入输输出出系系统统调调用用，对对I IO O数数据据进进行行格格式式化化，为为假假脱脱机机输输入入输输出出作作准备准备（2 2）独独立立于于设设备备的的软软件件实实现现设设备备的的命命名名、设设备备的保护、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）设设备备驱驱动动程程序序设设置置设设备备寄寄存存器器、检检查查设设备备的执行状态的执行状态（4 4）中中断断处处理理程程序序负负责责I IO O完完成成时时，唤唤醒醒设设备备驱动程序进程，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05:0105:015.35.3 I/O I/O系统系统硬件硬件5.3.1 5.3.1 设备组成设备组成 I/OI/O设设备备一一般般由由机机械械和和电电子子两两部部分分组组成成，把把这这两两部部分分分分开开处处理理，以以提提供供更更加加模模块块化化，更更加加通通用的设计。用的设计。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05:0105:01 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。在在小小型型和和微微型型机机中中，它它常常采采用用印印刷刷电电路路卡卡插插入计算机中。入计算机中。控控制制器器卡卡上上通通常常有有一一个个插插座座，通通过过电电缆缆与与设设备备相相连连。控控制制器器和和设设备备之之间间的的接接口口是是一一个个标标准准接接口，它符合口，它符合ANSIANSI、IEEEIEEE或或ISOISO这样的国际标准。这样的国际标准。05:0105:015.3.2 5.3.2 设备接口设备接口 一一次次完完整整的的I/OI/O传传送送过过程程，典典型型地地由由一一长长列列低低级级信信号号组组成成，这这些些信信号号启启动动设设备备所所执执行行的的操操作作，并通过测试设备状态来监控设备操作的进展并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通过对设备接口寄存器组的读写完成读写完成 设备接口复杂繁琐设备接口复杂繁琐05:0105:015.3.3 5.3.3 设备连接模式设备连接模式 指指I/OI/O设设备备与与CPUCPU之之间间的的连连接接方方式式，亦亦即即将将设设备备连连接接到到一一个个计计算算机机系系统统上上的的方方式式。在在一一个个确确定定的的连连接接模模式式下下，从从I/OI/O设设备备到到CPUCPU间间的的所所有有连连接接成分构成了一成分构成了一条条I/OI/O路径路径（I/OI/O链）链）1.1.总线总线 将将计计算算机机系系统统中中的的各各个个子子系系统统（CPUCPU、内内存存、外外设设等等）相相互互连连接接，且且连连接接是是共共享享的的线线路路。分分为数据总线、地址总线、控制总线为数据总线、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05:0105:0105:0105:0105:0105:013.3.DMADMA 数数据据在在内内存存与与I/OI/O设设备备间间的的直直接接成成块块传传送送。操操作作由由DMADMA硬硬件直接完成。如下图所示：件直接完成。如下图所示：当当DMADMA硬硬件件控控制制磁磁盘盘与与存存储储器器之之间间进进行行信信息息交交换换时时，每每当当磁磁盘盘把把一一个个数数据据读读入入控控制制器器的的数数据据缓缓冲冲区区时时，DMADMA控控制制器器取取代代CPUCPU，接接管管地地址址总总线线的的控控制制权权，并并按按照照DMADMA控控制制器器中中的的存存储储器器地地址址寄寄存存器器内内容容把把数数据据送送入入相相应应的的内内存存单单元元中中。然然后后，DMADMA硬硬件件自自动动地地把把传传送送字字节节计计数数器器减减1 1，把把存存储储器器地地址址寄寄存存器器加加1 1，并并恢恢复复CPUCPU对对内内存存的的控控制制权权，DMADMA控控制制器器对对每每一一个个传传送送的的数数据据重重复复上上述述过过程程，直直到到传传送送字字节节计计数数器器为为“0 0”时时，向向CPUCPU产产生生一一个个中中断断信信号号。当当操操作作系系统统接接管管CPUCPU控制权时，再无需做块复制的工作了。控制权时，再无需做块复制的工作了。05:0105:01寄存器寄存器05:0105:01CPU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05:0105:015.4 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.定定义义：通通道道是是独独立立于于CPUCPU的的专专门门负负责责数数据据输输入入/输输出出传传输输工工作作的的处处理理机机，对对外外部部设设备备实实现现统统一一管管理理，代代替替CPUCPU对对输输入入/输输出出操操作作进进行行控控制制，从从而而使使输输入入/输输出出操操作作可可与与CPUCPU并并行行操操作作。通通道道相相当当于于一一个个功功能能简简单单的的处处理理机机，包包含含通通道道指指令令（空空操操作作，读读操操作作，写写操操作作，控控制制，转转移移操操作作），并并可可执执行行用用这这些些指指令令编编写的通道程序。写的通道程序。05:0105:013.3.分类分类1)1)字节多路通道字节多路通道 字字节节多多路路通通道道以以字字节节为为单单位位传传输输信信息息，它它可可以以分分时时地地执执行行多多个个通通道道程程序序。当当一一个个通通道道程程序序控控制制某某台台设设备备传传送送一一个个字字节节后后，通通道道硬硬件件就就控控制制转转去去执执行行另另一一个个通通道道程程序序，控控制制另另一一台台设设备备传传送信息送信息 主主要要连连接接以以字字节节为为单单位位的的低低速速I/OI/O设设备备。如如打打印机，终端。印机，终端。2.2.引入通道的目的引入通道的目的 为为了了使使CPUCPU从从I/OI/O事事务务中中解解脱脱出出来来，同同时时为为了了提提高高CPUCPU与与设设备备，设设备备与与设设备备之之间间的的并并行行工工作能力。作能力。05:0105:01 2)2)选择通道选择通道 选选择择通通道道是是以以成成组组方方式式工工作作的的，即即每每次次传传送送一一批批数数据据，故故传传送送速速度度很很高高。选选择择通通道道在在一一段段时时间间内内只只能能执执行行一一个个通通道道程程序序，只只允允许许一一台台设设备备进行数据传输进行数据传输 当当这这台台设设备备数数据据传传输输完完成成后后，再再选选择择与与通通道道连连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序接的另一台设备，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05:0105:01 3)3)成组多路通道成组多路通道 它它结结合合了了选选择择通通道道传传送送速速度度高高和和字字节节多多路路通通道道能能进进行行分分时时并并行行操操作作的的优优点点。它它先先为为一一台台设设备备执执行行一一条条通通道道指指令令，然然后后自自动动转转接接，为为另另一一台台设备执行一条通道指令设备执行一条通道指令 主要连接高速设备主要连接高速设备 执执行行通通道道程程序序，向向控控制制器器发发出出命命令令，并并具具有有向向CPUCPU发发中中断断信信号号的的功功能能。一一旦旦CPUCPU发发出出指指令令，启启动动通通道道，则则通通道道独独立立于于CPUCPU工工作作。一一个个通通道道可可连连接接多多个个控控制制器器，一一个个控控制制器器可可连连接接多多个个设设备，形成树形交叉连接。备，形成树形交叉连接。05:0105:0105:0105:01交叉连接交叉连接05:0105:015.4.2 5.4.2 SpoolingSpooling技术技术 SpoolingSpooling（SimultaneausSimultaneaus PeriphernalPeriphernal Operating On-LineOperating On-Line）技术是以通道为基础，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、在操作系统的配合下，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。输出外围操作同时进行，也称为假脱机操作。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，的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速把低速I/OI/O设备上的数据传送到高速磁盘上；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，把数据从磁盘传送到低速输出设控制机功能，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的低速的低速之间的矛盾之间的矛盾。05:0105:01SpoolingSpooling系统主要功能系统主要功能 将输入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。05:0105:015.4.3 5.4.3 DMA DMA 技术技术 DMA DMA(direct(direct memory memory access)access)方方式式与与中中断断方方式式的主要区别的主要区别中中断断方方式式是是在在数数据据缓缓冲冲寄寄存存区区满满后后，发发中中断断请请求求，CPUCPU进进行行中中断断处处理理；DMADMA方方式式则则是是在在所所要要求求传传送送的的数数据据块块全全部部传传送送结结束束时时要要求求CPUCPU进进行行中中断断处处理理，大大减少了大大减少了CPUCPU进行中断处理的次数。进行中断处理的次数。中中断断方方式式的的数数据据传传送送是是由由CPUCPU控控制制完完成成的的；而而DMADMA方方式式则则是是在在DMADMA控控制制器器的的控控制制下下不不经经过过CPUCPU控制完成的。控制完成的。05:0105:01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）05:0105:01DMADMA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 CPUCPU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05:0105:015.4.4 5.4.4 缓冲技术缓冲技术1.1.缓冲（缓冲（BufferBuffer）技术的引入技术的引入 凡凡是是数数据据到到达达和和离离去去速速度度不不匹匹配配的的地地方方均均可可采采用缓冲技术。用缓冲技术。在在操操作作系系统统中中采采用用缓缓冲冲是是为为了了实实现现数数据据的的I/OI/O操操作作，以以缓缓解解CPUCPU与与外外部部设设备备之之间间速速度度不不匹匹配配的矛盾，提高资源利用率。的矛盾，提高资源利用率。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05:0105:012.2.缓冲区设置缓冲区设置 硬缓冲：在设备中设置缓冲区，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 缓缓冲冲池池：多多个个缓缓冲冲区区连连接接起起来来统统一一管管理理，构构成成缓缓冲冲池池，池池中中设设置置了了多多个个可可供供若若干干进进程程共共享享的的缓冲区，避免内存的大量消耗。缓冲区，避免内存的大量消耗。05:0105:014.4.CPUCPU高速缓冲高速缓冲在在计计算算机机中中，为为了了减减少少CPUCPU的的等等待待时时间间，必必须须提高系统主存储器的响应速度提高系统主存储器的响应速度为为此此使使用用了了高高速速缓缓存存，用用来来存存储储CPUCPU常常用用的的代代码和数据信息码和数据信息 在在主主存存和和CPUCPU通通用用寄寄存存器器之之间间设设置置一一个个高高速速的的容容量量相相对对较较小小的的存存储储器器，把把正正在在执执行行的的指指令令地地址址附附近近的的一一部部分分指指令令或或数数据据从从主主存存调调入入这这个个存存储储器器，供供CPUCPU在在一一段段时时间间内内使使用用。这这对对提提高高运运行行速速度有很大的作用。度有很大的作用。05:0105:01高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比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的空间比例的映射关系，一般规定高速缓冲与内存的空间比为为4 4：10001000，即，即128128kB kB 高速缓冲可映射高速缓冲可映射3232MBMB内存，内存，256256kB kB 高速缓冲可映射高速缓冲可映射6464MBMB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 前前者者解解决决速速度度匹匹配配问问题题，后后者者将将独独占占设设备备转转化化为共享设备。为共享设备。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。05:0105:015.4.5 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 在在计计算算机机系系统统内内各各种种子子系系统统，如如CPUCPU、内内存存、I/OI/O设设备备等等之之间间，构构建建公公用用的的信信号号或或数数据据传传输输通道，这种可共享连接的传输通道称为总线。通道，这种可共享连接的传输通道称为总线。05:0105:01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05:0105:01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05:0105:01 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）由由于于I/O设设备备的的接接口口标标准准的的不不一一致致和和有有限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）传传统统的的I/O设设备备的的接接口口无无法法满满足足实实时时数数据据传输与多媒体应用的需求。传输与多媒体应用的需求。USB以以WDM（Windows Driver Model）模模型型为为基基础础，WDM包包含含一一套套通通用用的的I/O服服务务和和二二进进制兼容的设备驱动程序。制兼容的设备驱动程序。05:0105:01USB支支持持同同步步数数据据传传输输方方式式和和异异步步数数据据传传输输方方式式，其其数数据据传传输输率率有有低低速速15Mbps和和全全速速12Mbps两两种种，比比标标准准串串口口快快100倍，比标准并口快倍，比标准并口快10倍倍USB可可以以主主动动为为外外部部设设备备提提供供电电源源，允允许许外外部部设设备备快快速速连连接接，具具有有即即插插即即用用的的功能功能允许外部设备的热插拔允许外部设备的热插拔4.4.SCSISCSI接口技术接口技术 SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface）即小即小型计算机系统接口。型计算机系统接口。05:0105:01SCSISCSI系统结构系统结构05:0105:015.5.4.6 4.6 即插即用技术即插即用技术(Plug and PlayPlug 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 由由于于一一个个系系统统可可以以配配置置多多种种外外部部设设备备，设设备备也也经经常常变变动动和和更更换换，它它们们都都要要占占有有一一定定的的系系统统资资源源，彼彼此此间间在在硬硬件件和和软软件件上上可可能能会会产产生生冲冲突突。因因此此在在系系统统中中要要正正确确地地对对它它们们进进行行配配置置和和资资源源匹匹配配；当当设设备备撤撤除除、添添置置和和进进行行系系统统升升级级时时，配配置置过过程程往往往是一个困难的过程。往是一个困难的过程。05:0105:01PnPPnP技术的特点：技术的特点：（1 1）支支持持I/OI/O设设备备及及部部件件的的自自动动配配置置，使使用用户户能能够够简单方便地使用系统扩充设备；简单方便地使用系统扩充设备；（2 2）减减少少由由制制造造商商装装入入的的种种种种用用户户支支持持和和限限制制，简简化化部部件件的的硬硬件件跳跳接接设设置置，使使I/OI/O附附加加卡卡和和部部件件不不再具有人工跳接线设置电路；再具有人工跳接线设置电路；（3 3）在在主主机机板板和和附附加加卡卡上上保保存存系系统统资资源源的的配配置置参参数数和和分分配配状状态态，有有利利于于系系统统对对整整个个I/OI/O资资源源的的分分配配和控制；和控制；（4 4）支支持持和和兼兼容容各各种种操操作作系系统统平平台台，具具有有很很强强的的扩展性和可移植性；扩展性和可移植性；（5 5）在在一一定定程程度度上上具具有有“热热插插入入”、“热热拼拼接接”技术。技术。05:0105:015.5 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 当当某某进进程程向向系系统统提提出出I/OI/O请请求求时时，设设备备分分配配程程序序按按一一定定策策略略分分配配设设备备、控控制制器器和和通通道道，形形成成一一条条数数据据传传输输通通路路，以以供供主主机机和和设备间信息交换。设备间信息交换。设设备备独独立立性性：即即不不能能因因为为设设备备的的忙忙碌碌、故故障障或或更更换换而而影影响响程程序序的的运运行行,向向用用户户屏屏蔽蔽物物理理设设备备,呈呈现现给给用用户户的的一一个个操操作作简简单的逻辑设备。单的逻辑设备。05:0105:011.1.数据结构：数据结构：设备控制表设备控制表DCTDCT 主主要要内内容容：设设备备类类型型、设设备备标标识识符符、设设备备状状态态、指指向向控控制制器器表表指指针针、重重复复执执行行的的次次数数或或时时间间、等等待待队队列列的的队队首首指指针针、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设备备控控制制器器表表集集合合05:0105:01 系统设备表系统设备表SDTSDT 整整个个系系统统一一张张表表，记记录录系系统统中中所所有有I/OI/O设设备备的的信信息息，表表目目包包括括：设设备备类类型型、设设备标识符、进程标识符、备标识符、进程标识符、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 05:0105:01 此此外外还还有有控控制制器器控控制制表表COCTCOCT和和通通道道控控制制表表CHCTCHCT，数据结构见书数据结构见书P162P162。根根据据用用户户请请求求的的I/OI/O设设备备的的逻逻辑辑名名，查查找找逻逻辑辑设设备备和和物物理理设设备备的的映映射射表表；以以物物理理设设备备为为索索引引，查查找找SDTSDT，找找到到该该设设备备所所连连接接的的DCTDCT；继继续续查查找找与与该该设设备备连连接接的的COCTCOCT和和CHCTCHCT，就找到了一条通路。就找到了一条通路。05:0105:012.2.设备分配策略设备分配策略 由由于于在在多多道道程程序序系系统统中中，进进程程数数多多于于资资源源数数，引引起起资资源源的的竞竞争争。因因此此，要要有有一一套套合合理的分配原则。理的分配原则。考虑的因素：考虑的因素：*I/OI/O设备的固有属性设备的固有属性 *I/OI/O设备的分配算法设备的分配算法 *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05:0105:011)1)独占设备的分配独占设备的分配 静静态态分分配配在在进进程程运运行行前前,完完成成设设备备分分配；运行结束时，收回设备。配；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。动动态态分分配配在在进进程程运运行行过过程程中中，当当用用户户提提出出设设备备要要求求时时，进进行行分分配配，一一旦旦停停止止使使用立即收回。用立即收回。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。05:0105:012)2)共享设备分配共享设备分配 在在作作业业调调度度时时仅仅作作出出静静态态决决定定，进进程程执执行行时时，才才进进行行动动态态分分配配，即即将将I/OI/O请请求求形形成成I/OI/O请请求求块块并并按按一一定定的的原原则则加加入入到到设设备备等待队列。等待队列。05:0105:015.5.2 5.5.2 设备驱动程序设备驱动程序 为为了了控控制制I/OI/O传传输输，实实现现I/OI/O进进程程与与设设备备控控制制器器之之间间的的通通信信，系系统统为为每每类类设设备备编编制制设设备驱动程序。备驱动程序。任任务务主主要要负负责责接接收收和和分分析析从从设设备备分分配配转转来来的的信信息息，并并根根据据设设备备分分配配的的结结果果，结结合合具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：05:0105:01(1)(1)预置设备的初始状态预置设备的初始状态(2)(2)根根据据请请求求传传输输的的数数据据量量，组组织织I/OI/O缓缓冲冲队队列列，利利用用I/OI/O缓缓冲冲对对数数据据进进行行加加工工，包包括数据格式处理和编码转换括数据格式处理和编码转换(3)(3)构构造造I/OI/O程程序序（在在有有通通道道系系统统中中，是是通通道程序）道程序）(4)(4)启动设备进行启动设备进行I/OI/O操作操作05:0105:015.5.35.5.3 I/O I/O中断处理程序中断处理程序 设设备备控控制制器器向向CPUCPU发发送送一一个个中中断断请请求求，CPUCPU响响应应后后便便转转向向中中断断处处理理程程序序，处处理理来来自设备或通道的中断。自设备或通道的中断。5.5.4 5.5.4 I/OI/O操作过程操作过程请求请求I/I/O O的的进程、进程、I/OI/O过程（过程（I/OI/O控制的接控制的接口程序）、设备处理程序、中断处理程序。口程序）、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。05:0105:01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05:0105:01I/OI/O中断的进入中断的进入 当当I/OI/O中中断断发发生生时时，内内核核中中的的中中断断处处理理程程序序发发一一条条消消息息给给I/OI/O进进程程，由由I/OI/O进进程程负责判断并处理中断负责判断并处理中断I/OI/O进程进程 是是系系统统进进程程，一一般般赋赋予予最最高高优优先先级级。一一旦旦被被唤唤醒醒，它它可可以以很很快快抢抢占占处处理理机机投投入运行入运行。05:0105:015.6 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 05:0105:015.6.1 5.6.1 磁盘磁盘 几几乎乎所所有有计计算算机机都都使使用用磁磁盘盘来来存存储储信信息息。从从存存储储角角度度，与与内内存存比比较较起起来来，磁磁盘盘有有三三个个主主要的优点：要的优点：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05:0105:011.1.磁盘结构磁盘结构磁盘包括一或多个盘片每片两面；磁盘包括一或多个盘片每片两面；每每面面分分成成若若干干条条磁磁道道（一一般般为为50050020002000），磁道间留有间歇；磁道间留有间歇；每每条条磁磁道道又又被被分分成成许许多多扇扇区区（一一般般为为1010100100），扇扇区区间间留留有有间间歇歇；每每条条磁磁道道上上扇扇区区数数目典型为目典型为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。05:0105:012.2.RAM盘盘RAM盘盘的的思思想想很很简简单单，它它使使用用预预先先分分配配的的主主存存来来存存储储数数据据块块。RAM盘盘具具有有立立即即存存取取的的优优点点（没没有有寻寻道道和和旋旋转转延延迟迟），适适用用于于存存储储需需要要频频繁存取的程序和数据。繁存取的程序和数据。实实现现RAM盘盘的的思思想想：根根据据为为RAM盘盘分分配配内内存存的的大大小小，RAM盘盘被被分分成成n块块，每每块块的的大大小小与与实实际际磁磁盘盘块块的的大大小小相相同同。当当驱驱动动程程序序接接收收到到一一条条读读写写一一块块的的消消息息时时，它它只只计计算算被被请请求求的的块块在在RAM盘盘存存储储区区的的位位置置，并并读读出出或或写写入入该该块块，而而不对软盘或硬盘进行读写。不对软盘或硬盘进行读写。05:0105:015.6.2 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 05:0105:011.1.时钟硬件时钟硬件两种类型：两种类型：比比较较简简单单的的时时钟钟被被连连到到110V或或220V的的电电源源线线上上，每每个个电电压压周周期期产产生生一一个个中中断断，频频率率是是50Hz或或60Hz。另另一一种种时时钟钟由由三三个个部部件件构构成成：晶晶体体振振荡荡器器、计计数器和存储寄存器数器和存储寄存器 石石英英晶晶体体产产生生的的精精确确的的周周期期信信号号，典典型型的的范范围围是是5到到100MHz 信信号号送送到到到到计计数数器器，使使其其递递减减计计数数至至0。当当计计数器变为数器变为0时，产生一个时，产生一个CPU中断信号。中断信号。05:0105:012.时钟软件时钟软件 时时钟钟硬硬件件所所做做的的工工作作是是每每隔隔一一定定的的时时间间间间隔隔产产生生一一个个中中断断。涉涉及及时时间间的的其其他他所所有有工工作作都都必必须须由软件由软件时钟驱动程序完成。时钟驱动程序完成。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绘绘制制CPU运运行行直直方方图图，完完成成监监视视和和统统计计信信息息收集收集05:0105:015.6.3 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为了了使使操操作作系系统统中中与与设设备备无无关关部部分分和和用用户户程程序序对对于于不不同同型型号号的的终终端端不不必必重重写写，终终端端驱驱动动程程序序隐藏了各种类型终端的差异隐藏了各种类型终端的差异05:0105:01终端硬件终端硬件 根据与操作系统的通根据与操作系统的通信信方法将终端分为两大类：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终终端端由由键键盘盘和和显显示示器器构构成成，通通过过串串行行接接口口一一次次一一位位地地与与计计算算机机系系统统进进行行通通信信。这这些些终终端端使使用用25针针的的连连接接器器，其其中中一一针针用用于于发发送送数数据据，一一针针用用于于接接收收数数据据，一一针针接接地地，其其余余22针针用于各种控制功能用于各种控制功能（大部分未使用大部分未使用）计计算算机机和和终终端端以以字字符符作作为为处处理理对对象象，而而通通信信时时却是通过串行口一次一位地进行却是通过串行口一次一位地进行 需要需要完成字符到位串与位串到字符的转换完成字符到位串与位串到字符的转换 05:0105:01智能智能CRT终端实际是一微小型计算机终端实际是一微小型计算机 它它们们带带有有一一个个CPU和和存存储储器器，通通常常在在EPROM或或ROM中存储了复杂的程序中存储了复杂的程序从从操操作作系系统统的的角角度度，玻玻璃璃终终端端和和智智能能终终端端的的主主要不同点是：后者理解特殊的转义序列要不同点是：后者理解特殊的转义序列最最高高档档的的智智能能终终端端中中包包含含了了与与主主计计算算机机能能力力相相同同的的CPU，以以及及以以兆兆字字节节为为单单位位的的内内存存，可可以以从计算机系统下载任何程序从计算机系统下载任何程序终端硬件终端硬件05:0105:01存储映像终端存储映像终端本身是计算机的组成部分本身是计算机的组成部分通通过过专专用用存存储储器器接接口口与与计计算算机机通通信信，称称为为视视频频RAM（video RAM），是是计计算算机机地地址址空空间间的的一一部部分分，CPU对对它它的的寻寻址址与与对对其其他他存存储储器器的的寻寻址址是一样是一样视视频频控控制制器器(video controller)，从从视视频频RAM中中取出字符，产生用于驱动显示器视频信号取出字符，产生用于驱动显示器视频信号当当CPU将将一一个个字字符符写写到到视视频频RAM时时，在在一一帧帧显示周期内显示在屏幕上显示周期内显示在屏幕上05:0105:01速度快速度快交互最快，广泛使用交互最快，广泛使用位映像终端位映像终端视频视频RAM每一位直接控制屏幕上的每一像素每一位直接控制屏幕上的每一像素8001024个个像像素素的的屏屏幕幕需需100k字字节节RAM（彩彩色更多）色更多）提供更加灵活的字符字体和尺寸提供更加灵活的字符字体和尺寸允许多窗口允许多窗口可制作任意图形可制作任意图形存储映像终端存储映像终端05:0105:01输入软件输入软件 键盘驱动程序的基本工作键盘驱动程序的基本工作 收集键盘的输入信息收集键盘的输入信息 当当用用户户程程序序要要从从终终端端读读信信息息时时，把把收收集集的的输输入入传传给给用户程序用户程序 键盘驱动程序两种处理方式键盘驱动程序两种处理方式 （1）面向字符，原始（面向字符，原始（raw）模式模式 将将接接收收的的输输入入不不加加修修改改地地向向上上层层传传送送，从从终终端端读读信信息的程序得到一系列原始的息的程序得到一系列原始的ASCII码序码序 （2）面向行，加工（面向行，加工（cooked）模式模式 键键盘盘驱驱动动程程序序负负责责处处理理一一行行内内的的编编辑辑，并并将将修修改改过过的行传送给用户程序的行传送给用户程序05:0105:01输出软件输出软件RS232终端与存储终端的驱动程序完全不同终端与存储终端的驱动程序完全不同RS232终端终端输出缓冲区与每个终端相关联输出缓冲区与每个终端相关联程序向终端写时，先将输出拷贝到缓冲区程序向终端写时，先将输出拷贝到缓冲区需要回送的输入也拷贝到缓冲区需要回送的输入也拷贝到缓冲区当当输输出出全全部部复复制制到到缓缓冲冲区区（或或者者缓缓冲冲区区满满）时时，向向终终端端输输出出第第一一个个字字符符，驱驱动动程程序序睡睡眠眠等等待待，产产生生中中断时，输出下一个字符，如此循环，直到输出完成断时，输出下一个字符，如此循环，直到输出完成存储映像终端存储映像终端从用户空间一次取出一个要打印的字符从用户空间一次取出一个要打印的字符然后，直接送入视频然后，直接送入视频RAM05:0105:015.6.4 网络网络I/O设备设备网络计算已成为计算机发展的方向之一网络计算已成为计算机发展的方向之一典型网络典型网络I/O设备设备网络打印网络打印以往的打印模式以往的打印模式 打打印印机机连连接接到到网网上上PC上上，或或连连到到文文件件服服务务器器上上，提提供网络打印服务供网络打印服务新的网络打印新的网络打印 采用网络打印服务器技术，打印机直接上网采用网络打印服务器技术，打印机直接上网 任何数据直接送到网络打印机输出任何数据直接送到网络打印机输出 05:0105:01打打印印服服务务器器还还能能实实现现多多种种网网络络自自动动切切换换：不不同同网网络络环环境境中中的的用用户户都都可可以以直直接接向向同同一一台台打打印印机机发送打印作业，打印服务器会自动识别发送打印作业，打印服务器会自动识别较较强强的的打打印印管管理理功功能能：可可以以管管理理网网络络打打印印驱驱动动，而而且且容容易易安安装装和和管管理理；可可以以实实现现远远程程登登录录访访问问，进行远程打印机管理进行远程打印机管理提高工作效率提高工作效率分分布布式式的的环环境境设设置置：可可以以安安装装在在网网络络的的任任何何地地方方，这这种种打打印印服服务务方方式式，就就显显得得更更加加灵灵活活和和满满足需要足需要网络打印设备网络打印设备