1、第7章 輸入/輸出管理 本章內容提要nI/O管理概述n設備分配nI/O軟件層次n磁盤調度和管理7.1 I/O管理概述 7.1.1 I/O設備分類和標識1設備分類 可以從不同角度對外部設備進行分類，按照工作特性可把它們分成存儲設備和輸入/輸出設備兩大類。（1）存儲設備 它們是計算機用來存儲信息的主要設備。（2）輸入/輸出設備 輸入設備是計算機用來接收來自外部世界信息的設備 輸出設備是將計算機加工處理好的信息送向外部世界的設備 n還可以從其他角度對設備進行分類。例如：按傳輸速率的快慢n按設備的共享屬性分類，分為獨占設備、共享設備和虛擬設備 I/O設備分類和標識2設備標識n系統按某種原則為每臺設備分

2、配惟一的號碼，用做硬件（設備控制器）區分和識別設備的代號，稱做設備絕對號（或絕對地址）。n操作系統為每類設備規定了一個編號，稱做設備類型號。如在UNIX系統中，設備類型號稱做主設備號。n設備相對號，是用戶自己規定的所用同類設備中的第幾臺。7.1.2 I/O系統結構不同規模的計算機系統，其I/O系統結構存在差異。在大多數微型機和小型機中，都使用總線I/O系統結構總線I/O系統結構示意圖 7.1.3 設備控制器nI/O設備一般由機械和電子兩部分組成n電子部分稱做設備控制器或適配器n操作系統總是通過設備控制器實施對設備的控制和操作n控制器是可編址的設備1控制器接口n設備控制器有兩個方向的接口： 與主

3、機之間的系統接口 與設備驅動電路之間的低層次接口2控制器功能 實現主機和設備之間的通信控制，進行端口地址譯碼。 把計算機的數字信號轉換成機械部分能夠識別的模擬信號，或者反過來。 實現數據的緩沖。 接收主機發來的控制命令。 將設備和控制器當前所處的狀態提供給主機。3存儲器映像I/On為了實現與CPU通信，每個控制器都有幾個寄存器: 控制寄存器 狀態寄存器 數據寄存器 除控制寄存器外，很多設備還有數據緩沖區。nCPU與控制寄存器和設備數據緩沖區的基本通信方式: 為每個控制寄存器分配一個I/O端口號 把所有控制寄存器映像到存儲器空間存儲器映像I/O（Memory-Mapped I/O）。內存和I/O

4、地址空間的三種映像方式 7.1.4 I/O系統的控制方式1程序控制直接傳遞方式2程序查詢方式3中斷控制方式 其基本工作過程是： CPU發出啟動I/O設備的指令 I/O控制器啟動并控制I/O設備的工作 I/O控制器向CPU發送一個中斷信號 CPU將控制傳送給中斷處理程序 中斷處理程序執行相應的處理工作 CPU恢復對被中斷任務的處理工作4直接存儲器訪問方式（1）DMA控制方式的引入 為減少CPU被中斷的次數，提高CPU的工作效率，增加數據傳輸安全（2）DMA的傳送操作DMA傳送操作過程 5獨立通道方式（1）通道的引入n為使CPU擺脫繁忙的I/O事務，現代大、中型計算機都設置了專門處理I/O操作的機

5、構，這就是通道。n通道程序由通道執行的指令組成。（2）通道類型 字節多路通道 它以字節作為信息輸送單位，服務于多臺低速I/O設備。 選擇通道。 它在同一時間里只能為一臺設備服務，主要用于連接高速外部設備。 成組多路通道 它結合字節多路通道分時操作和選擇通道高速傳送的優點，廣泛用于連接高速和中速設備。6I/O處理器方式7.1.5 I/O管理的功能1I/O軟件的主要目標（1）與設備無關 （也稱設備獨立性）n用戶程序應與實際使用的物理設備無關，由操作系統考慮因為實際設備不同而需要使用不同的設備驅動程序等問題。n用戶編寫程序時一般不再使用物理設備，而使用虛擬設備，由操作系統實現虛實對應 。n sort

6、 output（2）統一命名（3）層次結構（4）效率高2I/O管理的主要功能 （1）監視設備狀態 （2）進行設備分配 （3）完成I/O操作 （4）緩沖管理與地址轉換7.2 設備分配7.2.1 與設備分配相關的因素 （1）I/O設備的固有屬性 （2）系統所采用的分配算法 （3）設備分配應防止死鎖發生 （4）用戶程序與實際使用的物理設備無關7.2.2 設備分配技術1按使用性質對設備分類 （1）獨占設備n獨占設備是不能同時共用的設備，即在一段時間內，該設備只允許一個進程獨占。 （2）共享設備n共享設備是可由若干進程同時共用的設備。 （3）虛擬設備n虛擬設備是利用某種技術把獨占設備改造成可由多個進程共

7、用的設備。2設備分配技術 （1）獨占分配 把獨占設備固定地分配給一個進程，直至該進程完成I/O操作并且釋放它為止。 （2）共享分配 由若干進程共用同一設備 （3）虛擬分配 利用共享設備去實現獨占設備的功能，從而使獨占設備“感覺上”成為可共享的、快速的I/O設備。7.2.3 設備分配算法 （1）先來先服務 （2）優先級高的優先服務7.2.4 SPOOLing系統n早期設備分配的虛擬技術是脫機方式 利用外圍計算機專門負責I/O工作 n解決了慢速外設與快速主機的匹配問題n存在如下缺點： 需要人工干預，產生人工錯誤的機會多，且效率低； 周轉時間慢； 無法實現優先級調度。 SPOOLing系統用常駐內存

8、的進程去模擬一臺外圍機 SPOOLing系統一般分為4個部分 ： 存輸入部分 取輸入部分 存輸出部分 取輸出部分SPOOLing系統工作原理示意圖 n上述4個部分的工作可由輸入進程IN和輸出進程OUT完成 IN進程負責存輸入和取輸入工作 OUT進程負責存輸出和取輸出工作nSPOOLing可使一個作業的輸入/輸出與其他作業的計算重疊起來進行nSPOOLing提供了非常重要的數據結構 作業池n付出不少代價 占用大量的內存作為外設之間傳送信息用的緩沖區，它所用的表格也占用不少內存空間； 占用大量磁盤空間作為輸入井和輸出井； 增加了系統的復雜性。 SPOOLing系統7.3 I/O軟件層次I/O軟件系

9、統的層次7.3.1 中斷處理程序7.3.2 設備驅動程序1設備驅動程序的功能 接受來自上層、與設備無關軟件的抽象讀寫請求，并且將該I/O請求排在請求隊列的隊尾，同時還要檢查I/O請求的合法性（如參數是否合法）。 取出請求隊列中隊首請求，且將相應設備分配給它。 向該設備控制器發送命令，啟動該設備工作，完成指定的I/O操作。 處理來自設備的中斷。2設備驅動程序在系統中的位置通常，設備驅動程序與設備類型是一一對應的。主設備號表示設備類型，而次設備號表示該類型的一個設備。設備驅動程序層的目的是對核心I/O子系統隱藏設備控制器的差別 設備驅動程序在系統中的邏輯位置示意圖 3設備驅動程序的特點 驅動程序的

10、主要作用是實現請求I/O的進程與設備控制器之間的通信 驅動程序與設備特性密切相關 驅動程序可以動態安裝或加載 驅動程序與I/O控制方式相關 驅動程序與硬件密切相關 不允許驅動程序使用系統調用4設備驅動程序的框架 （1）設備驅動程序與外界的接口 驅動程序與操作系統內核的接口 驅動程序與系統引導的接口 驅動程序與設備的接口（2）設備驅動程序的組成 驅動程序的注冊與注銷 設備的打開與釋放 設備的讀/寫操作 設備的控制操作 設備的中斷和輪詢處理7.3.3 與設備無關的操作系統I/O軟件與設備無關的操作系統I/O軟件的功能示意圖 1設備驅動程序的統一接口 新的驅動程序遵循驅動程序接口的約定 I/O設備如

11、何命名 保護問題2緩沖技術 （1）緩沖技術的引入 緩沖的基本思想 主要目的是： 緩解CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾。 提高它們之間的并行性。 減少對CPU的中斷次數，放寬CPU對中斷響應時間的要求。 （2）緩沖區的設置 單緩沖。適宜數據到達率與離去率相差很大的情況 雙緩沖。適宜信息的輸入和輸出速率相同（或相差不大）的情況緩沖區的設置 雙緩沖工作示例 多緩沖為了解決陣發性I/O的速度不匹配問題，可以設立多個緩沖區。3出錯報告n根據錯誤產生的原因，可把I/O錯誤分為兩類： 程序設計錯誤 實際I/O錯誤。4分配和釋放獨占設備 處理請求的簡單辦法是讓進程直接打開設備特別文件 另一種辦法是設立專門

12、機制，負責獨占設備的申請和釋放 5提供與設備無關的塊大小 不同磁盤的扇區大小可能不同。通過這部分軟件的作用，可隱藏這些差異，向高層提供統一的盤塊大小。7.3.4 用戶級I/O軟件n多數I/O軟件都在操作系統中，用戶空間中也有一小部分。通常，它們以庫函數形式出現。n用戶空間中另一個重要的I/O軟件是SPOOLing系統。7.4 磁盤調度和管理硬盤結構示意圖磁盤的結構7.4.1 磁盤調度1磁盤存取時間 尋道時間:是指系統把磁頭移到相應的磁道或柱面上所用時間； 旋轉延遲時間：是指一旦磁頭到達指定磁道、必須等待所需要的扇區轉到讀/寫頭下所用的延遲時間； 傳輸時間：是指信息實際在盤和內存之間進行傳送所花

13、費的時間。 一次磁盤服務的總時間就是這三者之和 n減少平均尋道時間就可以顯著地改善系統性能。2磁盤調度算法（1）先來先服務法（First-Come, First-Served，FCFS）先來先服務調度算法示例設磁頭最初在53道上 總共移動了640個磁道 有一個請求磁盤服務的隊列，要訪問的磁道分別是 98，183，37，122，14，124，65，67最短尋道時間優先調度算法示例（2）最短尋道時間優先法（Shortest Seek Time First， SSTF）當前磁頭在53道上 請求訪問磁道序列：98，183，37，122，14，124，65，67磁頭共移動了236個磁道 掃描調度算法示例

14、（3）掃描法（SCAN）請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上。正向0道方向移動 （4）巡回掃描法（C-SCAN）巡回掃描調度算法示例請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上，正向右方移動（5）尋查法（LOOK）LOOK算法也稱“電梯”算法請求訪問磁道序列： 98，183，37，122，14，124，65，67磁頭最初在53道上，正向0道方向移動電梯調度算法示例 3磁盤調度算法的選擇 選最佳方案與多種因素有關: 任何調度算法的性能都依賴于I/O請求的數量和類型 文件的物理存放方式對磁盤請求有很

15、大影響 目錄和索引塊的位置對I/O請求隊列有重要影響 旋轉延遲時間的影響7.4.2 磁盤管理1磁盤格式化n 低級格式化或物理格式化（1）格式化后扇區的格式n低級格式化按照規定的格式為每個扇區填充控制信息。n一般來說，扇區格式由三部分組成，即扇區頭、數據區（通常為512 B）和扇區尾（2）磁盤分區和邏輯格式化n第一步是分區，即把磁盤分成一個或多個柱面組。n第二步工作是邏輯格式化,即建立文件系統。 MS-DOS的磁盤布局2引導塊結構整個引導程序保存在稱做引導塊的分區中，該分區在盤上的位置是固定的，通常在起始扇區。 3壞塊處理 （1）壞塊的產生n一類是“天生”的,即廠家生產時該盤就存在瑕疵，如磁層有缺陷。n另一類是“繼發”的,即在使用過程中因外界干擾或故障而造成的磁層損壞。 （2）處理壞塊的方式 控制器處理方式替代方式n直接替代方式：是對磁道上的扇區依次編號，在最后留出備用扇區。n繞過壞塊方式：是當發現壞塊時，就繞過它，即不為它編號，接著從后面的扇區繼續編號。 操作系統處理方式 操作系統首先通過讀盤上的壞塊表或親自檢測整個磁