1、 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 輸入輸入/輸出系統輸出系統第第5章章 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 z 輸入輸入/ /輸出硬件輸出硬件輸入輸出軟件與硬件輸入輸出軟件與硬件z 輸入輸入/ /輸出軟件輸出軟件輸入輸出設備輸入輸出設備設備控制器設備控制器通道通道存儲器直接存取存儲器直接存取( (DMA)DMA)設備設備數據傳送控制方式數據傳送控制方式中斷中斷設備驅動程序設備驅動程序與設備無關的與設備無關的I/OI/O軟件軟件設備分配設備分配緩沖緩沖 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 進程與資進程與資源管理源管理文件

2、管理文件管理存儲管理存儲管理設備管理設備管理處理機處理機主存主存設備設備操作系統操作系統計算機硬件計算機硬件 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 操作系統龐大復雜的原因之一：資源多、雜，并操作系統龐大復雜的原因之一：資源多、雜，并發，均來自發，均來自I/OI/On外設種類繁多，結構各異外設種類繁多，結構各異n輸入輸出數據信號類型不同輸入輸出數據信號類型不同n速度差異很大速度差異很大I/OI/O性能經常成為系統性能的瓶頸性能經常成為系統性能的瓶頸nCPUCPU性能不等于系統性能：響應時間也是一個重要因素性能不等于系統性能：響應時間也是一個重要因素nCPUCPU性能越高，與

3、性能越高，與I/OI/O差距越大差距越大 彌補：更多的進程彌補：更多的進程n進程切換多，系統開銷大進程切換多，系統開銷大 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 一、引言1) 1) 選擇和分配設備以便進行數據傳輸操作；選擇和分配設備以便進行數據傳輸操作；2) 2) 控制設備和控制設備和CPU(CPU(或內存或內存) )之間交換數據；之間交換數據；3) 3) 為用戶提供一個友好的透明接口；為用戶提供一個友好的透明接口；4) 4) 提高設備和設備之間、提高設備和設備之間、CPUCPU和設備之間以及和設備之間以及進程和進程之間的并行操作度，以使操作系統進程和進程之間的并行操作度，

4、以使操作系統獲得最佳效率。獲得最佳效率。設備管理的主要任務設備管理的主要任務 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 n為進程管理提供接口（將進程的請求轉給設為進程管理提供接口（將進程的請求轉給設備管理）備管理）n實施設備分配（設備分類、調度算法、等待實施設備分配（設備分類、調度算法、等待隊列）隊列）n實現設備之間以及設備與實現設備之間以及設備與CPUCPU之間并行操作之間并行操作（DMADMA、通道）、通道）n緩沖區管理緩沖區管理設備管理程序提供的功能設備管理程序提供的功能 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 接收用戶提出的接收用戶提出的I/OI/

5、O請求階段請求階段響應設備中斷請求階段響應設備中斷請求階段設備管理的兩個階段 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 輸入輸出硬件輸入輸出硬件 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 （1）按功能特性分n 存儲型設備n 輸入輸出型設備（交互型設備）n 數據通信設備1.設備的分類磁帶機、磁盤機等外存設備磁帶機、磁盤機等外存設備鍵盤、圖形輸入儀、鼠標鍵盤、圖形輸入儀、鼠標顯示器、打印機等顯示器、打印機等通用終端、專用終端等通用終端、專用終端等（2）按數據組織分 字符設備以字符為單位存儲、傳輸信息 塊設備 以數據塊為單位存儲、傳輸信息 北北 京京 林林 業業

6、大大 學學 信信 息息 學學 院院 塊設備塊設備（1）順序存取存儲設備：磁帶n永久保存大容量數據n順序存取設備：前面的物理塊被存取訪問之后，才能存取后續的物理塊的內容n存取速度較慢：主要用于后備存儲，或存儲不經常用的信息，或用于傳遞數據的介質第第i i塊塊 間隙間隙 第第i+1i+1塊塊 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 （2）直接存取存儲設備：磁盤 直接（隨機）存取設備： 存取磁盤上任一物理塊的時間不依賴于該物理塊所處的位置（3）完全直接存取存儲設備： 半導體隨機存取存儲器磁道磁道扇區扇區塊設備塊設備 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 柱面

7、柱面扇區扇區磁臂磁臂磁頭磁頭 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 信息記錄在磁道上，多個盤片，正反兩面都用來記錄信息，每面一個磁頭 所有盤面中處于同一磁道號上的所有磁道組成一個柱面 物理地址形式： 磁頭號（盤面號）+磁道號（柱面號）+ 扇區號磁盤訪問過程由三個動作組成：n尋道（時間）：磁頭移動定位到指定磁道n旋轉延遲（時間）：等待指定扇區從磁頭下旋轉經過n數據傳輸（時間）：數據在磁盤與內存之間的實際傳輸 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 （3）按資源分配角度分 獨占設備 在一段時間內只能有一個進程使用的設備，一般為低速I/O設備（如打印機，磁帶

8、等） 共享設備 在一段時間內可有多個進程共同使用的設備，多個進程以交叉的方式來使用設備，其資源利用率高（如硬盤） 虛設備 在一類設備上模擬另一類設備，常用共享設備模擬獨占設備，用高速設備模擬低速設備，被模擬的設備稱為虛設備 目的：將慢速的獨占設備改造成多個用戶可共享的設備，提高設備的利用率（實例：SPOOLing技術，利用虛設備技術 用硬盤模擬輸入輸出設備）設備的分類（續設備的分類（續2 2） 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 （4）從數據傳輸率角度分 低速設備低速設備中速設備中速設備高速設備高速設備設備的分類（續設備的分類（續4 4） 北北 京京 林林 業業 大大

9、學學 信信 息息 學學 院院 2.2.設備控制器設備控制器I IO O設備一般由機械和電子兩部分組設備一般由機械和電子兩部分組成成把這兩部分分開處理，以提供更加模把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化更加通用的設計塊化更加通用的設計 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 數據寄存器數據寄存器控制/狀態控制/狀態寄存器寄存器數據線數據線I/O邏輯邏輯控制器控制器與設備與設備接口 1接口 1控制器控制器與設備與設備接口 接口 i數據數據狀態狀態控制控制數據數據狀態狀態控制控制地址線地址線控制線控制線CPU與控制器接口與控制器接口控 制 器 與設備接 口口 北北 京京 林林 業業

10、 大大 學學 信信 息息 學學 院院 （1 1）物理設備物理設備 機械部分是設備本身（物理裝置）機械部分是設備本身（物理裝置）（2 2）設備控制器設備控制器n 電子部分叫做設備控制器或適配器電子部分叫做設備控制器或適配器n 完成設備與主機間的連接和通信完成設備與主機間的連接和通信n 在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插在小型和微型機中，它常采用印刷電路卡插入計算機主板上的總線插槽入計算機主板上的總線插槽n 通過若干接口寄存器或接口緩沖區與通過若干接口寄存器或接口緩沖區與CPUCPU通信通信 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信

11、息息 學學 院院 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 3.3.通道通道 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器I/OI/O控制器控制器字節多路字節多路通道通道選擇通道選擇通道數組多路數組多路通道通道磁盤磁盤磁盤磁盤磁帶磁帶磁帶磁帶終端終端終端終端終端終端CPUCPU內存內存總線總線 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 n字節多路通道 字節多路通道以字節為單位傳輸信息，它可以分時地執行

12、多個通道程序。當一個通道程序控制某臺設備傳送一個字節后，通道硬件就控制轉去執行另一個通道程序，控制另一臺設備傳送信息. 主要連接以字節為單位的低速I/O設備,如打印機，終端。 以字節為單位交叉傳輸.通道分類通道分類 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 通道分類通道分類n數據選擇通道v 數據選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送一批數據，故傳送速度很高。數據選擇通道在一段時間內只能執行一個通道程序，只允許一臺設備進行數據傳輸，當這臺設備數據傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設備，執行它的相應的通道程序。v 主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設備。 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 選擇通道選擇通道 北北 京京 林林 業業 大大 學學 信信 息息 學學 院院 通道分類通道分類n數組多路通道結合選擇通道傳送速度高和字節多路通道能進行分時并行操作的優點。先為一臺設備執行一條通道指令，然后自動轉接，為另一臺設備執行一條通道指令主要連接高速設備這樣，對于連接多臺磁盤機的數組多路通道，它可以啟動它們同時執行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數據。數據多路通道實際上是對通道程序采用多道程序設計的硬件實現 北北