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8-2009-IO管理

操作系统 北京大学计算机科学技术系 陈向群 2009-2010 第一学期 第8讲 I/O系统 •概述 • I/O硬件特点 • I/O软件的组成 •相关技术 •设备处理 I/O管理示意 应用程序 应用编程接口 文件管理 设备驱动程序 硬件接口 控制寄存器 状态寄存器 数据寄存器 设备控制器 一、概述 1.I/O的特点 CPU与I/O的速度差别大 →尽量使两者交叠运行 →减少由于速度差异造成的整体性能开销 (1)I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 (2)操作系统庞大复杂的原因之一: 资源多、杂,并发,均来自I/O –外设种类繁多,结构各异 –输入输出数据信号类型不同 –速度差异很大 (3)与其他功能联系密切,特别是文件系统 2.设备的分类(1/2) (1)按数据组织分 - 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 传输速率较高、可寻址(随机读写) - 字符设备 以字符为单位存储、传输信息 传输速率低、不可寻址 设备的分类(2/2) (2)按资源分配角度分 – 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备,一般为低速 I/O设备(如打印机,磁带等) – 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备,多个进程 以交叉的方式来使用设备,其资源利用率高(如硬盘) – 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备,常用共享设备模拟独占 设备,用高速设备模拟低速设备,被模拟的设备称为虚 设备 目的:将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备, 提高设备的利用率 (实例:SPOOLing技术,利用虚设备技术——用硬盘模拟输入输出设 备) 3.设备管理的目标和任务(1/3) (1)按照用户的请求,控制设备的各种操作, 完成I/O设备与内存之间的数据交换,最终完 成用户的I/O请求 • 设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型,采用一定的分 配算法,选择一条数据通路 • 执行设备驱动程序,实现真正的I/O操作 • 设备中断处理:处理外部设备的中断 • 缓冲区管理:管理I/O缓冲区 设备管理的目标和任务(2/3) (2)建立方便、统一的独立于设备的接口 方便性:向用户提供使用外部设备的方便接口, 使用户编程时不考虑设备的复杂物理特性 统一性:对不同的设备采取统一的操作方式,在 用户程序中使用的是逻辑设备 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节(设备的 物理细节,错误处理,不同I/O的差异性) 设备管理的目标和任务(3/3) (3)充分利用各种技术(通道,中断,缓冲, 异步I/O等)提高CPU与设备、设备与设备之间 的并行工作能力,充分利用资源,提高资源利 用率 –并行性 –均衡性(使设备充分忙碌) (4)保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破 坏的、必威体育官网网址的 二、I/O硬件特点 1.设备组成(1/2) I /O设备一般由机械和电子两部分组成 把这两部分分开处理,以提供更加模块化,更 加通用的设计 (1)物理设备 机械部分是设备本身(物理装置) (2)设备控制器 – 电子部分叫做设备控制器或适配器 – 完成设备与主机间的连接和通信 – 在小型和微型机中,它常采用印刷电路卡插入计算 机主板上的总线插槽 – 通过若干接口寄存器或接口缓冲区与CPU通信 设备组成(2/2) 电子部分完成的工作  (端口)地

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