第7章輸入/輸出管理

7.1I/O管理概述

7.2設備分配

7.3I/O軟件層次

7.4磁盤調度和管理7.1I/O管理概述

7.1.1I/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；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；7.1.1I/O設備分類和標識2．設備標識系統按某種原則為每臺設備分配惟一的號碼，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）。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。設備相對號，是用戶自己規定的所用同類設備中的第幾臺。7.1.2I/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，圖7-1典型的PC總線結構7.1.3設備控制器

I/O設備一般由機械和電子兩部分組成。電子部分稱做設備控制器或適配器操作系統總是通過設備控制器實施對設備的控制和操作。控制器是可編址的設備。1．控制器接口設備控制器有兩個方向的接口：一個是與主機之間的系統接口；另一個是與設備驅動電路之間的低層次接口。7.1.3設備控制器

2．控制器功能①實現主機和設備之間的通信控制，進行端口地址譯碼。②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。③實現數據的緩沖。④接收主機發來的控制命令。⑤將設備和控制器當前所處的狀態提供給主機。7.1.3設備控制器

3．存儲器映像I/O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。7.1.3設備控制器

CPU與控制寄存器和設備數據緩沖區的通信方式有兩種。一種方式是為每個控制寄存器分配一個I/O端口號（8位或16位整數），使用專門的I/O指令，CPU可以讀/寫控制寄存器。另一種方式是把所有控制寄存器映像到存儲器空間。這種模式稱做存儲器映像I/O（Memory-MappedI/O）。此外，還有混合方式，既有存儲器映像I/O數據緩沖器，又采用單獨的I/O端口。7.1.3設備控制器

圖7-2內存和I/O的地址空間7.1.4I/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：①CPU執行設備驅動程序，發出啟動I/O設備的指令，使外設處于準備工作狀態。然后，CPU繼續運行程序，進行其他信息的處理。②I/O控制器按照I/O指令的要求，啟動并控制I/O設備的工作。7.1.4I/O系統的控制方式

③當輸入就緒、輸出完成或發生錯誤時，I/O控制器便向CPU發送一個中斷信號。④CPU接收到中斷信號后，保存少量的狀態信息。然后將控制傳送給中斷處理程序。⑤中斷處理程序確定中斷原因，執行相應的處理工作，最后退出中斷，返回中斷前的執行狀態。⑥CPU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（2）DMA的傳送操作7.1.4I/O系統的控制方式

圖7-3DMA傳送操作5．獨立通道方式

（1）通道的引入為使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操作的機構，這就是通道。通道程序由通道執行的指令組成。（2）通道類型

①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。

②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③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。6．I/O處理器方式7.1.5I/O管理的功能1．I/O軟件的主要目標（1）與設備無關也稱設備獨立性。就是說，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。（2）統一命名（3）層次結構（4）效率高7.1.5I/O管理的功能2．I/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）共享設備共享設備是可由若干進程同時共用的設備。

（3）虛擬設備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用的設備。7.2.2設備分配技術2．設備分配技術（1）獨占分配獨占分配技術是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（3）虛擬分配虛擬分配技術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7.2.4SPOOLing系統

常駐內存的進程去模擬一臺外圍機圖7-5SPOOLing系統①存輸入部分②取輸入部分③存輸出部分④取輸出部分7.2.4SPOOLing系統

上述4個部分的工作可由輸入進程IN和輸出進程OUT完成。ISPOOLing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。SPOOLing提供了非常重要的數據結構——作業池。付出不少代價①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；②占用大量磁盤空間作為輸入井和輸出井；③增加了系統的復雜性。7.3I/O軟件層次圖7-6I/O軟件系統的層次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①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）。②取出請求隊列中隊首請求，且將相應設備分配給它。③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。④處理來自設備的中斷。7.3.2設備驅動程序

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。圖7-7設備驅動程序在系統中的邏輯位置7.3.3與設備無關的操作系統I/O軟件圖7-8與設備無關的操作系統I/O軟件的功能7.3.3與設備無關的操作系統I/O軟件1．設備驅動程序的統一接口2．緩沖技術（1）緩沖技術的引入引入緩沖技術的主要目的是：①緩解CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾。②提高它們之間的并行性。③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

①單緩沖。如果數據到達率與離去率相差很大，則可采用單緩沖方式。

②雙緩沖。如果信息的輸入和輸出速率相同（或相差不大），則可利用雙緩沖區實現二者的并行。7.3.3與設備無關的操作系統I/O軟件圖7-9雙緩沖工作示例7.3.3與設備無關的操作系統I/O軟件③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．出錯報告根據錯誤產生的原因，可把I/O錯誤分為兩類：一類是程序設計錯誤，另一類是實際I/O錯誤。4．分配和釋放獨占設備5．提供與設備無關的塊大小7.3.4用戶級I/O軟件多數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。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

7.4.1磁盤硬件1．磁盤的結構圖7-10硬盤結構示意圖7.4.1磁盤硬件（1）Header（磁頭）硬盤盤片數=（磁頭數+2）/2（2）Cylinder（柱面）（3）Sector（扇區）扇區是將磁道按照相同角度等分的扇形。2．獨立磁盤冗余陣列廉價磁盤冗余陣列RAID（RedundantArraysofInexpensiveDesks）。7.4.2磁盤調度

1．磁盤存取時間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（FCFS）要訪問的磁道分別是：98，183，37，122，14，124，65，67最早來的請求是訪問98道，最后一個是訪問67道。設磁頭最初在53道上。7.4.2磁盤調度

圖7-12先來先服務調度算法示例7.4.2磁盤調度

（2）最短尋道時間優先法（SSTF）圖7-13最短尋道時間優先調度7.4.2磁盤調度

（3）掃描法（SCAN）圖7-14掃描調度算法示例7.4.2磁盤調度

（4）巡回掃描法（C-SCAN）圖7-15巡回掃描調度算法示例7.4.2磁盤調度

（5）尋查法（LOOK）LOOK算法也稱“電梯”算法圖7-16循環尋查調度算法示例7.4.2磁盤調度3．磁盤調度算法的選擇①任何調度算法的性能都依賴于I/O請求的數量和類型。②文件的物理存放方式對磁盤請求有很大影響。③目錄和索引塊的位置對I/O請求隊列有重要影響。④旋轉延遲時間的影響。7.4.3磁盤管理1．磁盤格式化低級格式化或物理格式化低級格式化按照規定的格式為每個扇區填充控制信息。扇區頭、數據區（通常為512B）和扇區尾（2）磁盤分區和邏輯格式化第一步是分區，即把磁盤分成一個或多個柱面組。第二步工作是邏輯格式化