8-2009-IO管理.pdf

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