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第7章 输入/输出管理 7.1 I/O管理概述 7.2 设 备 分 配 7.3 I/O软件层次 7.4 磁盘调度和管理 7.1 I/O管理概述 7.1.1 I/O设备分类和标识 1．设备分类 可以从不同角度对外部设备进行分类，按照工作特性可把它们分成存储设备和输入/输出设备两大类。 （1）存储设备 它们是计算机用来存储信息的主要设备。 （2）输入/输出设备 还可以从其他角度对设备进行分类。例如：按传输速率的快慢； 按设备的共享属性分类，分为独占设备、共享设备和虚拟设备； 7.1.1 I/O设备分类和标识 2．设备标识 系统按某种原则为每台设备分配惟一的号码，用做硬件（设备控制器）区分和识别设备的代号，称做设备绝对号（或绝对地址）。 操作系统为每类设备规定了一个编号，称做设备类型号。如在UNIX系统中，设备类型号称做主设备号。 设备相对号，是用户自己规定的所用同类设备中的第几台。 7.1.2 I/O系统结构 7.1.3 设备控制器 I/O设备一般由机械和电子两部分组成。 电子部分称做设备控制器或适配器 操作系统总是通过设备控制器实施对设备的控制和操作。控制器是可编址的设备。 1．控制器接口 设备控制器有两个方向的接口：一个是与主机之间的系统接口； 另一个是与设备驱动电路之间的低层次接口。 7.1.3 设备控制器 2．控制器功能 ① 实现主机和设备之间的通信控制，进行端口地址译码。 ② 把计算机的数字信号转换成机械部分能够识别的模拟信号，或者反过来。 ③ 实现数据的缓冲。 ④ 接收主机发来的控制命令。 ⑤ 将设备和控制器当前所处的状态提供给主机。 7.1.3 设备控制器 3．存储器映像I/O 为了实现与CPU通信，每个控制器都有几个寄存器。 控制寄存器 状态寄存器 数据寄存器 除控制寄存器外，很多设备还有数据缓冲区。 7.1.3 设备控制器 CPU与控制寄存器和设备数据缓冲区的通信方式有两种。 一种方式是为每个控制寄存器分配一个I/O端口号（8位或16位整数），使用专门的I/O指令，CPU可以读/写控制寄存器。 另一种方式是把所有控制寄存器映像到存储器空间。 这种模式称做存储器映像I/O（Memory-Mapped I/O）。 此外，还有混合方式，既有存储器映像I/O数据缓冲器，又采用单独的I/O端口。 7.1.3 设备控制器 7.1.4 I/O系统的控制方式 1．程序控制直接传递方式 2．程序查询方式 3．中断控制方式 其基本工作过程是： ① CPU执行设备驱动程序，发出启动I/O设备的指令，使外设处于准备工作状态。然后，CPU继续运行程序，进行其他信息的处理。 ② I/O控制器按照I/O指令的要求，启动并控制I/O设备的工作。 7.1.4 I/O系统的控制方式 ③ 当输入就绪、输出完成或发生错误时，I/O控制器便向CPU发送一个中断信号。 ④ CPU接收到中断信号后，保存少量的状态信息。 然后将控制传送给中断处理程序。 ⑤ 中断处理程序确定中断原因，执行相应的处理工作，最后退出中断，返回中断前的执行状态。 ⑥ CPU恢复对被中断任务的处理工作。 4．直接存储器访问方式 （1）DMA控制方式的引入 （2）DMA的传送操作 7.1.4 I/O系统的控制方式 5．独立通道方式 （1）通道的引入 为使CPU摆脱繁忙的I/O事务，现代大、中型计算机都设置了专门处理I/O操作的机构，这就是通道。 通道程序由通道执行的指令组成。 （2）通道类型 ① 字节多路通道。它以字节作为信息输送单位，服务于多台低速I/O设备。 ② 选择通道。它在同一时间里只能为一台设备服务。 主要用于连接高速外部设备 ③ 成组多路通道。它结合字节多路通道分时操作和选择通道高速传送的优点，广泛用于连接高速和中速设备。 6．I/O处理器方式 7.1.5 I/O管理的功能 1．I/O软件的主要目标 （1）与设备无关 也称设备独立性。就是说，用户程序应与实际使用的物理设备无关，由操作系统考虑因为实际设备不同而需要使用不同的设备驱动程序等问题。 （2）统一命名 （3）层次结构 （4）效率高 7.1.5 I/O管理的功能 2．I/O管理的主要功能 （1）监视设备状态 （2）进行设备分配 （3）完成I/O操作 （4）缓冲管理与地址转换 7.2 设 备 分 配 7.2.1 与设备分配相关的因素 （1）I/O设备的固有属性 （2）系统所采用的分配算法 （3）设备分配应防止死锁发生 （4）用户程序与实际使用的物理设备无关 7.2.2 设备分配技术 1．按使用性质对设备分类 （1）独占设备 独占设备