第五章计算机操作系统设备管理课件.ppt

学院学院:计算机与信息技术学院计算机与信息技术学院教师教师:刘贤梅刘贤梅1/25/20231/25/20231 1内容概述内容概述5.1 I/O5.1 I/O系统系统 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理I/O系统包括用于实现系统包括用于实现数据输入、输出、存储数据输入、输出、存储功能的设备和相功能的设备和相应的控制器，设备管理的基本任务是应的控制器，设备管理的基本任务是完成用户提出的完成用户提出的I/O请求，请求，提高提高I/O速率以及改善速率以及改善I/O的利用率。的利用率。设备管理的主要功能有设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、磁盘管理、虚拟设备及实现设备独缓冲区管理、设备分配、磁盘管理、虚拟设备及实现设备独立性。立性。5.4 I/O5.4 I/O软件软件 5.5 5.5 设备分配设备分配 5.6 5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 1/25/20231/25/20232 25.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统1/25/20231/25/20233 35.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备1.1.按按设备的使用特性设备的使用特性分类分类存储设备存储设备 磁带、磁盘、光盘等。磁带、磁盘、光盘等。输入输入/输出设备输出设备键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像、传感器等。键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像、传感器等。1/25/20231/25/20234 42.2.按按传输速率传输速率分类分类低速设备低速设备 每秒几个字节至数百字节。每秒几个字节至数百字节。键盘、鼠标、语音输入输出设备等。键盘、鼠标、语音输入输出设备等。中速设备中速设备每秒数千至数万字节。每秒数千至数万字节。行式打印机、激光打印机等。行式打印机、激光打印机等。高速设备高速设备每秒数百每秒数百K K至数十至数十M M字节。字节。磁盘机、磁带机、光盘机等。磁盘机、磁带机、光盘机等。1/25/20231/25/20235 53.3.按按信息交换的单位信息交换的单位分类分类块设备块设备信息的存取以信息的存取以数据块数据块为单位，为单位，有结构设备。有结构设备。基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位，基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位，可寻址可寻址，即对它可随机地读，即对它可随机地读/写任一块。写任一块。例例:磁盘磁盘字符设备字符设备基本单位是基本单位是字符，字符，无结构设备。无结构设备。基本特征是其传输速率较低基本特征是其传输速率较低,通常每秒钟为几个字通常每秒钟为几个字节到数千字节，节到数千字节，不可寻址。不可寻址。例例:交互式终端、打印机交互式终端、打印机1/25/20231/25/20236 64.4.按按设备的共享属性设备的共享属性分类分类独占设备独占设备(临界资源临界资源 )如打印机如打印机共享设备共享设备 可供多个多个进程同时访问，如磁盘。可供多个多个进程同时访问，如磁盘。共享设备必须是共享设备必须是可寻址可寻址的和的和可随机访问可随机访问的设备。的设备。虚拟设备虚拟设备通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备，供若干个进程同时使用。辑设备，供若干个进程同时使用。1/25/20231/25/20237 75.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统1/25/20231/25/20238 85.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器1.1.设备控制器概述设备控制器概述设备控制器设备控制器是是CPUCPU与与I/OI/O设备之间的硬件接口，常做成印设备之间的硬件接口，常做成印刷电路卡形式刷电路卡形式,也称接口卡。也称接口卡。接收从接收从CPUCPU发来的命令，并控制一个或多个发来的命令，并控制一个或多个I/OI/O设备，以设备，以实现实现I/OI/O设备和计算机之间的数据交换，减轻设备和计算机之间的数据交换，减轻CPUCPU的负担。的负担。1/25/20231/25/20239 9 2.2.设备控制器的组成设备控制器的组成设备控制器与处理机的接口设备控制器与处理机的接口该接口用于实现设备控制器与该接口用于实现设备控制器与CPUCPU之间的通信。在该接口之间的通信。在该接口中有三类信号线：中有三类信号线：数据线数据线、地址线地址线、控制线控制线。设备控制器与设备的接口设备控制器与设备的接口在一个设备控制器上，可以连接一台或多台设备（一个或在一个设备控制器上，可以连接一台或多台设备（一个或多个设备接口多个设备接口)，一个接口连接一台设备，在每个接口中，一个接口连接一台设备，在每个接口中都有数据、控制和状态三种类型的信号。都有数据、控制和状态三种类型的信号。I/OI/O逻辑逻辑控制器对设备的控制通过控制器对设备的控制通过I/OI/O逻辑实现的。包括对收到逻辑实现的。包括对收到命命令令和和地址地址进行进行译码译码。1/25/20231/25/20231010图图5-2 5-2 设备控制器的组成设备控制器的组成 1/25/20231/25/202311115.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统1/25/20231/25/202312125.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道 1.1.I/OI/O通道通道设备的引入设备的引入是一种是一种特殊处理机特殊处理机，专门负责输入，专门负责输入/输出工作，具有执行输出工作，具有执行I/OI/O指令指令的能力。主要的能力。主要目的目的是为了建立独立的是为了建立独立的I/OI/O操作，使操作，使有关对有关对I/OI/O操作的组织、管理及其结束处理也独立于操作的组织、管理及其结束处理也独立于CPUCPU。CPUCPU向向I/OI/O通道发送通道发送I/OI/O命令，由通道执行程序。命令，由通道执行程序。通道与一般处理机的通道与一般处理机的区别区别指令类型单一指令类型单一，局限于与，局限于与I/OI/O操作有关命令。操作有关命令。没有独立的内存没有独立的内存，通道与，通道与CPUCPU共享内存。共享内存。1/25/20231/25/20231313图图5-3 5-3 字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理 2.2.通道类型通道类型(1)(1)字节多路通道字节多路通道一个主通道连接多个子通道，以一个主通道连接多个子通道，以时间片轮转时间片轮转方式共享方式共享主通道。主通道。每个子通道每次只传送每个子通道每次只传送一个字节一个字节，连接中低速设备。，连接中低速设备。1/25/20231/25/20231414(2)(2)数组选择通道数组选择通道(Block Selector Channel)(Block Selector Channel)(1)不适合高速设备。不适合高速设备。以以数组方式数组方式工作，高速传输数据。工作，高速传输数据。可以连接多台高速设备。可以连接多台高速设备。每次只有一台设备进行数据传送，形成每次只有一台设备进行数据传送，形成独占独占，如果，如果它不传数据，别的设备也传不了。通道利用率较低。它不传数据，别的设备也传不了。通道利用率较低。1/25/20231/25/20231515(3)(3)数组多路通道数组多路通道(Block(Block MultiplexorMultiplexor Channel)Channel)(2)有独占性。有独占性。将将数组选择通道数组选择通道传输速率高和传输速率高和字节多路通道字节多路通道分时并行分时并行操作的优点相操作的优点相结合结合而形成的一种新通道。而形成的一种新通道。其数据传送是按其数据传送是按数组方式数组方式。采用分时并行传送多个非分配型子通道，因而这种通采用分时并行传送多个非分配型子通道，因而这种通道既具有很高的道既具有很高的数据传输速率数据传输速率，又能获得令人满意的，又能获得令人满意的通道利用率通道利用率。1/25/20231/25/20231616图图5-5 5-5 多通路多通路I/OI/O系统系统 1/25/20231/25/202317175.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统1/25/20231/25/202318185.1.4 5.1.4 总线系统总线系统 图图5-6 5-6 总线型总线型I/OI/O系统结构系统结构 在计算机系统中的各部件，如在计算机系统中的各部件，如CPUCPU、存储器以及各种存储器以及各种I/OI/O设备之间都是通过总线来联系。设备之间都是通过总线来联系。1/25/20231/25/202319191.ISA(Industry Standard Architecture)1.ISA(Industry Standard Architecture)总线总线 这这是是为为了了19841984年年推推出出的的8028680286型型微微机机而而设设计计的的总总线线结结构构。其其总总线线的的带带宽宽为为8 8位位,最最高高传传输输速速率率为为2Mb/s2Mb/s。之之后后不不久久又又推推出出了了1616位位的的(EISA)(EISA)总总线线,其其最最高高传传输输速速率率为为8Mb/s,8Mb/s,后后又又升升至至16 Mb/s,16 Mb/s,能连接能连接1212台设备。台设备。2.EISA(Extended ISA)2.EISA(Extended ISA)总线总线 到到8080年年代代末末期期,ISA,ISA总总线线已已难难于于满满足足带带宽宽和和传传输输速速率率的的要要求求,于于是是人人们们又又开开发发出出扩扩展展ISA(EISA)ISA(EISA)总总线线,其其带带宽宽为为3232位位,总总线的传输速率高达线的传输速率高达32Mb/s,32Mb/s,同样可以连接同样可以连接1212台外部设备台外部设备。1/25/20231/25/202320203.VESA(Video Electronic Standard 3.VESA(Video Electronic Standard Association)Association)总线总线 以以ISAISA为基础的局部总线，带宽为为基础的局部总线，带宽为3232位，工作频率为位，工作频率为33MHz33MHz，最高传输速率为，最高传输速率为132Mb/s132Mb/s，为，为486486设计的。设计的。4.PCI(Peripheral Component Interface)4.PCI(Peripheral Component Interface)总线总线 局部总线，最大传输速率为局部总线，最大传输速率为132Mb/s132Mb/s，既可以连接，既可以连接ISAISA、EISAEISA等传统型总线，又可支持等传统型总线，又可支持PentiumPentium的的6464位系统。位系统。1/25/20231/25/20232121内容概述内容概述5.1 I/O5.1 I/O系统系统 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理 5.4 I/O5.4 I/O软件软件5.5 5.5 设备分配设备分配5.6 5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 1/25/20231/25/202322225.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式5.2.1 5.2.1 程序程序I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式方式5.2.3 5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA I/ODMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPUCPU之间的之间的数据传送。数据传送。I/OI/O控制方式主要有四种：控制方式主要有四种：程序程序I/OI/O方式、中断驱动方式、中断驱动I/OI/O方式、直接存储访问方式、直接存储访问DMA I/ODMA I/O控制方式和控制方式和I/OI/O通道控制方式通道控制方式。1/25/20231/25/202323235.2.1 5.2.1 程序程序I/OI/O方式方式 程序程序I/OI/O控制方式（控制方式（“忙忙等待等待”方式）：在一个设备的方式）：在一个设备的操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状态，直到该操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状态，直到该操作完成，才能进行下一个操作。操作完成，才能进行下一个操作。CPUCPU通过通过I/OI/O测试指令测试设备接口中的状态位，当为测试指令测试设备接口中的状态位，当为“忙忙”时则一直测试，当为时则一直测试，当为“闲闲”时，可进行数据传送，每次时，可进行数据传送，每次传送传送一个字符。一个字符。CPUCPU的绝大部分时间都处于等待的绝大部分时间都处于等待I/OI/O设备完成数据设备完成数据I/OI/O的循的循环测试中。环测试中。外设不能合理使用，也无法支持多道程序。外设不能合理使用，也无法支持多道程序。CPUCPU的高速性和的高速性和I/OI/O设备的低速性。设备的低速性。1/25/20231/25/20232424图图5-7 5-7 程序程序I/OI/O方式的流程方式的流程 1/25/20231/25/202325255.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式5.2.1 5.2.1 程序程序I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式方式5.2.3 5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA I/ODMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式1/25/20231/25/202326265.2.2 5.2.2 中断驱动中断驱动I/OI/O控制方式控制方式 中断中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得非预期的急需处理事件，使得CPUCPU暂时中断当前正在执行暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。中断驱动中断驱动方式：当某进程要启动某个方式：当某进程要启动某个I/OI/O设备工作时，便设备工作时，便由由CPUCPU向相应的设备控制器发出一条向相应的设备控制器发出一条I/OI/O命令，然后立即返命令，然后立即返回继续执行原来的任务。回继续执行原来的任务。设备控制器按命令要求去控制指定的设备控制器按命令要求去控制指定的I/OI/O设备，完成后设备，完成后,通通过中断向过中断向CPUCPU发送一中断信号。发送一中断信号。在在I/OI/O设备输入数据的过程中，无须设备输入数据的过程中，无须CPUCPU干预。干预。每次传送每次传送一个字符一个字符。1/25/20231/25/20232727在在I/OI/O中断方式下中断方式下,数据的输入数据的输入(或输出或输出)步骤步骤如下如下:1 1、要要求求输输入入数数据据的的进进程程把把一一个个启启动动命命令令和和允允许许中中断断位位“1”1”写入相应设备的控制状态寄存器中，从而启动了该设备。写入相应设备的控制状态寄存器中，从而启动了该设备。2 2、该进程因等待输入的完成进入睡眠状态。、该进程因等待输入的完成进入睡眠状态。3 3、当输入完成后，输入设备向、当输入完成后，输入设备向CPUCPU发出完成中断请求信号。发出完成中断请求信号。4 4、处处理理机机响响应应中中断断，处处理理该该中中断断，并并唤唤醒醒等等待待输输入入完完成成的的进进程。程。5 5、在以后的某个时期，该程序被调度到后、在以后的某个时期，该程序被调度到后,继续运行。继续运行。1/25/20231/25/20232828图图5-7 5-7 中断驱动方式的流程中断驱动方式的流程 1/25/20231/25/202329295.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式5.2.1 5.2.1 程序程序I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式方式5.2.3 5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA I/ODMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式1/25/20231/25/202330305.2.3 5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA I/ODMA I/O控制方式控制方式 1.DMA(Direct Memory Access)1.DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入控制方式的引入 中断驱动中断驱动I/OI/O控制方式：控制方式：以以字节字节为单位的。每完成一个为单位的。每完成一个字节的字节的I/OI/O，控制器便向，控制器便向CPUCPU发一中断，请求发一中断，请求CPUCPU中断处理。中断处理。例如，为了从磁盘中读出例如，为了从磁盘中读出1KB1KB的数据块，需要中断的数据块，需要中断1K1K次次CPUCPU。直接存储器存取控制直接存储器存取控制：是指对：是指对I/OI/O设备的控制由设备的控制由DMADMA控制控制器完成，在器完成，在DMADMA控制器的作用下，设备和主存之间可以成批控制器的作用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，而不用地进行数据交换，而不用CPUCPU的干涉。的干涉。1/25/20231/25/20233131图图5-7 DMA5-7 DMA方式的流程方式的流程 1/25/20231/25/20233232图图5-8 DMA5-8 DMA控制器的组成控制器的组成 2.2.DMA控制器的组成控制器的组成主机与主机与DMA控制器的接口控制器的接口DMA控制器与块设备的接口控制器与块设备的接口I/O控制逻辑控制逻辑1/25/20231/25/20233333 为为了了实实现现在在主主机机与与控控制制器器之之间间成成块块数数据据的的直直接接交交换换,必必须在须在DMADMA控制器中设置如下控制器中设置如下四类寄存器四类寄存器:(1)(1)命命令令/状状态态寄寄存存器器CRCR。用用于于接接收收从从CPUCPU发发来来的的I/OI/O命命令令或有关控制信息或有关控制信息,或设备的状态。或设备的状态。(2)(2)内内存存地地址址寄寄存存器器MARMAR。在在输输入入时时,它它存存放放把把数数据据从从设设备备传传送送到到内内存存的的起起始始目目标标地地址址;在在输输出出时时,它它存存放放由由内内存存到到设设备的内存源地址。备的内存源地址。(3)(3)数数据据寄寄存存器器DRDR。用用于于暂暂存存从从设设备备到到内内存存,或或从从内内存存到到设备的数据。设备的数据。(4)(4)数据计数器数据计数器DCDC。存放本次。存放本次CPUCPU要读或写的字要读或写的字(节节)数。数。1/25/20231/25/202334343.DMA3.DMA工作过程工作过程 图图5-9 DMA5-9 DMA方式的工作流程方式的工作流程 1/25/20231/25/20233535 4.4.直接存储器存取控制方式的步骤直接存储器存取控制方式的步骤当进程要求设备输入一批数据时当进程要求设备输入一批数据时,CPU,CPU将设备存放输入数将设备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMADMA控制器控制器中的地址寄存器和传送字节计数器中的地址寄存器和传送字节计数器;另外另外,还要将中断位还要将中断位和启动位置为和启动位置为1,1,以启动设备开始进行数据输入并允许中以启动设备开始进行数据输入并允许中断。断。发出数据要求的进程进入等待状态发出数据要求的进程进入等待状态,进程调度程序调度进程调度程序调度其他进程占据其他进程占据CPUCPU。输入设备不断地挪用输入设备不断地挪用CPUCPU工作周期工作周期,将数据寄存器中的数将数据寄存器中的数据源源不断地写入内存据源源不断地写入内存,直到所要求的字节全部传送完直到所要求的字节全部传送完毕。毕。DMADMA控制器在传送字节数完成时控制器在传送字节数完成时,通过中断请求线发出中通过中断请求线发出中断信号断信号,CPU,CPU收到中断信号后转中断处理程序收到中断信号后转中断处理程序,唤醒等待唤醒等待输入完成的进程输入完成的进程,并返回被中断的程序。并返回被中断的程序。在以后的某个时刻在以后的某个时刻,进程调度程序选中提出请求输入的进程调度程序选中提出请求输入的进程进程,该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。1/25/20231/25/202336365.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式5.2.1 5.2.1 程序程序I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中断驱动中断驱动I/OI/O方式方式5.2.3 5.2.3 直接存储器访问直接存储器访问DMA I/ODMA I/O控制方式控制方式5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式1/25/20231/25/202337375.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 通道控制方式的通道控制方式的概念概念 是一种以内存为中心是一种以内存为中心,是设备与内存直接交换数据是设备与内存直接交换数据的控制方式。的控制方式。CPUCPU只需要发出启动指令只需要发出启动指令,指出通道相应的指出通道相应的操作和操作和I/OI/O设备设备,该指令就可以启动通道并使该通道从内该指令就可以启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。存中调出相应的通道指令执行。1/25/20231/25/20233838 1.I/O1.I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 与与DMA类似，是以内存为中心的数据交换方式。类似，是以内存为中心的数据交换方式。它可进一步减少它可进一步减少CPU的干预，即把对的干预，即把对一个一个数据块的读数据块的读(写写)为单位的干预，减少为对为单位的干预，减少为对一组一组数据块的读数据块的读(写写)及有关的及有关的控制和管理为单位的干预。控制和管理为单位的干预。一个通道控制多台设备。一个通道控制多台设备。CPU仅在仅在I/O操作的开始和结束时花费少量时间处理与操作的开始和结束时花费少量时间处理与I/O有关的工作。有关的工作。实现实现CPU、通道和通道和I/O设备三者的设备三者的并行操作并行操作，从而更有效，从而更有效地提高整个系统的资源利用率。地提高整个系统的资源利用率。5.2.4 I/O5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 1/25/20231/25/20233939 2.2.通道程序通道程序 与设备控制器共同实现对与设备控制器共同实现对I/OI/O设备的控制的。指令中含：设备的控制的。指令中含：(1)(1)操作码：规定指令所执行的操作操作码：规定指令所执行的操作,如读、写、控制等。如读、写、控制等。(2)(2)内存地址：标明字符送入内存或从内存取出的内存首址。内存地址：标明字符送入内存或从内存取出的内存首址。(3)(3)计数：本条指令所要读计数：本条指令所要读/写的字节数。写的字节数。(4)(4)通道程序结束位：表示通道程序是否结束通道程序结束位：表示通道程序是否结束,P=1,P=1表示结束。表示结束。(5)(5)记录结束标志：记录结束标志：R=R=0 0,表示本指令与下一指令处理同一个表示本指令与下一指令处理同一个 记录记录;R=;R=1 1表示处理某记录的最后一条指令。表示处理某记录的最后一条指令。1/25/20231/25/20234040操作操作 P PR R计数计数内存地内存地址址WRITE WRITE 0 00 08080813813WRITEWRITE0 00 014014010341034WRITEWRITE0 01 1606058305830WRITEWRITE0 01 130030020002000WRITEWRITE0 00 025025018501850WRITEWRITE1 11 12502507207201/25/20231/25/20234141图图 通道的工作流程通道的工作流程 1/25/20231/25/20234242 3.3.通道控制方式的通道控制方式的步骤步骤当进程要求输入数据时当进程要求输入数据时,CPU,CPU发启动指令指明发启动指令指明I/OI/O操作、操作、设备号和对应通道。设备号和对应通道。对应通道接收到对应通道接收到CPUCPU发来的启动指令后发来的启动指令后,把存放在内存把存放在内存中的通道指令程序读出中的通道指令程序读出,并执行通道程序并执行通道程序,控制设备将控制设备将数据传送到内存中指定的区域。数据传送到内存中指定的区域。若数据传输结束若数据传输结束,则向则向CPUCPU发出中断请求。发出中断请求。CPUCPU收到中断收到中断信号后转中断处理程序信号后转中断处理程序,唤醒等待输入完成的进程唤醒等待输入完成的进程,并并返回被中断的程序。返回被中断的程序。在以后的某个时刻在以后的某个时刻,进程调度程序选中提出请求输入的进程调度程序选中提出请求输入的进程进程,该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。1/25/20231/25/20234343内容概述内容概述5.1 I/O5.1 I/O系统系统 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理 5.4 I/O5.4 I/O软件软件5.5 5.5 设备分配设备分配 5.6 5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 1/25/20231/25/202344445.3 5.3 缓冲管理缓冲管理5.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入5.3.2 5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲5.3.3 5.3.3 循环缓冲循环缓冲5.3.4 5.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)(Buffer Pool)1/25/20231/25/202345455.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入(1)(1)缓和缓和CPUCPU与与I/OI/O设备间速度不匹配的矛盾。设备间速度不匹配的矛盾。(2)(2)减少对减少对CPUCPU的中断频率的中断频率,放宽对放宽对CPUCPU中断响应时间中断响应时间的限制。的限制。(3)(3)提高提高CPUCPU和和I/OI/O设备之间的并行性。设备之间的并行性。1/25/20231/25/20234646图图5-10 5-10 利用缓冲寄存器实现缓冲利用缓冲寄存器实现缓冲 1/25/20231/25/202347475.3 5.3 缓冲管理缓冲管理5.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入5.3.2 5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲5.3.3 5.3.3 循环缓冲循环缓冲5.3.4 5.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)(Buffer Pool)1/25/20231/25/202348485.3.2 5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲 1.1.单缓冲单缓冲(Single Buffer)(Single Buffer)图图5-11 5-11 单缓冲工作示意图单缓冲工作示意图 1/25/20231/25/202349492.2.双缓冲双缓冲(Double Buffer)(Double Buffer)图图5-12 5-12 双缓冲工作示意图双缓冲工作示意图 1/25/20231/25/20235050图图5-13 5-13 双机通信时缓冲区的设置双机通信时缓冲区的设置 1/25/20231/25/202351515.3 5.3 缓冲管理缓冲管理5.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入5.3.2 5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲5.3.3 5.3.3 循环缓冲循环缓冲5.3.4 5.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)(Buffer Pool)1/25/20231/25/202352525.3.3 5.3.3 循环缓冲循环缓冲循环缓冲的循环缓冲的引入：引入：当输入与输出速度基本匹配时，双缓冲能获得较好效果；当输入与输出速度基本匹配时，双缓冲能获得较好效果；当速度当速度相差较大相差较大时，可引入多个缓冲，组织成循环缓冲时，可引入多个缓冲，组织成循环缓冲的形式。的形式。1/25/20231/25/202353535.3 5.3 缓冲管理缓冲管理5.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入5.3.2 5.3.2 单缓冲和双缓冲单缓冲和双缓冲5.3.3 5.3.3 循环缓冲循环缓冲5.3.4 5.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)(Buffer Pool)1/25/20231/25/202354545.3.4 5.3.4 缓冲池缓冲池(Buffer Pool)(Buffer Pool)1.1.缓冲池的组成缓冲池的组成专用缓冲专用缓冲的利用率不高的利用率不高,因此设置公用缓冲池因此设置公用缓冲池,其中至少其中至少应含有以下应含有以下三种三种类型的缓冲区类型的缓冲区:空空(闲闲)缓冲区缓冲区;装满输入数据的缓冲区装满输入数据的缓冲区;装满输出数据的缓冲区。装满输出数据的缓冲区。为了管理上的方便为了管理上的方便,可将相同类型的缓冲区链成一个队可将相同类型的缓冲区链成一个队列列,于是可形成以下于是可形成以下三个三个队列队列:(1)(1)空缓冲队列空缓冲队列emqemq (2)(2)输入队列输入队列inqinq (3)(3)输出队列输出队列outqoutq1/25/20231/25/202355552.2.缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 图图5-15 5-15 缓冲区的工作方式缓冲区的工作方式 1/25/20231/25/20235656内容概述内容概述5.1 I/O5.1 I/O系统系统 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理 5.4 I/O5.4 I/O软件软件 5.5 5.5 设备分配设备分配 5.6 5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 1/25/20231/25/202357575.4 I5.4 I/O/O软件软件5.4.1 I/O5.4.1 I/O软件的设计目标和原则软件的设计目标和原则5.4.2 5.4.2 中断处理程序中断处理程序5.4.3 5.4.3 设备驱动程序设备驱动程序5.4.4 5.4.4 设备独立性软件设备独立性软件5.4.5 5.4.5 用户层的用户层的I/OI/O软件软件1/25/20231/25/202358585.4.1 I/O5.4.1 I/O软件的设计目标和原则软件的设计目标和原则I/OI/O系统的层次及功能系统的层次及功能用户层软件用户层软件设备独立性软件设备独立性软件设备驱动程序设备驱动程序中断处理程序中断处理程序硬件硬件产生产生I/OI/O请求、格式化请求、格式化I/OI/O、SpoolingSpooling映射、保护、分块、缓冲、分配映射、保护、分块、缓冲、分配设置设备寄存器，检查寄存器状态设置设备寄存器，检查寄存器状态执行执行I/OI/O操作操作图图5-16 I/O5-16 I/O系统的层次及功能系统的层次及功能1/25/20231/25/202359595.4 I5.4 I/O/O软件软件5.4.1 I/O5.4.1 I/O软件的设计目标和原则软件的设计目标和原则5.4.2 5.4.2 中断处理程序中断处理程序5.4.3 5.4.3 设备驱动程序设备驱动程序5.4.4 5.4.4 设备独立性软件设备独立性软件5.4.5 5.4.5 用户层的用户层的I/OI/O软件软件1/25/20231/25/202360605.4.2 5.4.2 中断处理程序中断处理程序中断处理程序的处理过程：中断处理程序的处理过程：(1)(1)唤醒被阻塞的驱动进程唤醒被阻塞的驱动进程(2)(2)保护被中断进程的保护被中断进程的CPUCPU环境环境(3)(3)转入相应的设备处理程序转入相应的设备处理程序(4)(4)中断处理中断处理(5)(5)恢复被中断进程的现场恢复被中断进程的现场1/25/20231/25/20236161图图5-17 5-17 中断现场保护示意图中断现场保护示意图 1/25/20231/25/20236262图图5 5-1 18 8 中中断断处处理理流流程程1/25/20231/25/202363635.4.3 5.4.3 设备驱动程序设备驱动程序 设备驱动程序设备驱动程序又称为又称为设备处理程序设备处理程序,是是I/OI/O进程与设备控制进程与设备控制器之间的通信程序。器之间的通信程序。1.1.设备驱动程序功能设备驱动程序功能(1)接收由接收由I/O进程发来的命令和参数进程发来的命令和参数,并将命令中的抽象并将命令中的抽象要求转换为具体要求。要求转换为具体要求。(2)检查用户检查用户I/O请求的合法性请求的合法性,了解了解I/O设备的状态设备的状态,传递传递有关参数有关参数,设置设备的工作设置设备的工作方式。方式。(3)发出发出I/O命令并检查设备状态。命令并检查设备状态。(4)及时响应由控制器或通道发来的中断请求并处理。及时响应由控制器或通道发来的中断请求并处理。(5)对于设置有通道的计算机系统对于设置有通道的计算机系统,驱动程序还应能够根驱动程序还应能够根据用户的据用户的I/O请求请求,自动地构成自动地构成通道程序。通道程序。1/25/20231/25/20236464 2.2.设备处理方式设备处理方式 在不同的操作系统中所采用的设备处理方式并不完在不同的操作系统中所采用的设备处理方式并不完全相同。根据在设备处理时是否设置进程全相同。根据在设备处理时是否设置进程,以及设置什么以及设置什么样的进程而把设备处理方式分成以下样的进程而把设备处理方式分成以下三类三类:(1)(1)为为每一类每一类设备设置设备设置一个进程一个进程,专门用于执行这类设备专门用于执行这类设备的的I/OI/O操作操作 。(2)(2)在在整个系统整个系统中设置中设置一个一个I/OI/O进程进程,专门用于执行系统专门用于执行系统中所有各类设备的中所有各类设备的I/OI/O操作。操作。(3)(3)不设置专门的设备处理进程不设置专门的设备处理进程,而只为各类设备设置相而只为各类设备设置相应的应的设备处理程序设备处理程序(模块模块),供用供用户进程或系统进程调户进程或系统进程调用。用。1/25/20231/25/20236565 3.3.设备驱动程序的设备驱动程序的特点特点(1)(1)驱动程序主要是指在请求驱动程序主要是指在请求I/OI/O的进程与设备控制器之的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。间的一个通信和转换程序。(2)(2)驱动程序与设备控制器和驱动程序与设备控制器和I/OI/O设备的硬件特性紧密相设备的硬件特性紧密相关关,因而对不同类型的设备应配置因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。不同的驱动程序。(3)(3)驱动程序与驱动程序与I/OI/O设备所采用的设备所采用的I/OI/O控制方式紧密相关，控制方式紧密相关，常用常用中断驱动中断驱动和和DMADMA方式方式。(4)(4)由于驱动程序由于驱动程序与硬件紧密相关与硬件紧密相关,因而其中的一部分必因而其中的一部分必须用汇编语言书写。须用汇编语言书写。1