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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、保密的
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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