操作系统ch5.1IO硬件原理

CH5 设备管理(1)5.1 I/O硬件原理 5.2 I/O软件原理 5.3 具有通道的I/O系统管理 5.4 缓冲技术 5.5 驱动调度技术

CH5 设备管理(2)5.6 设备分配 5.7 虚拟设备 5.8 实例研究： Windows2000/XP的设备管理 5.9 实例研究：Linux的设备管理

设备管理具有以下功能 外围设备中断处理 缓冲区管理 外围设备的分配 外围设备驱动调度 虚拟设备及其实现

5.1 I/O硬件原理5.1.1 I/O系统 5.1.2 I/O控制方式 5.1.3设备控制器

5.1.1 I/O系统(1) I/O系统：I/O设备及其接口线 路、控制部件、通道和管理软 件的总称。 I/O操作：计算机的主存和外围 设备的介质之间的信息传送操 作。

I/O系统(2) 按照I/O特性，I/O设备可以划分为I/O 型和存储型外围设备三类。 按照I/O信息交换的单位，I/O设备可 分为字符设备和块设备。 输入型外围设备和输出型外围设备一 般为字符设备，与内存进行信息交换 的单位是字节。存储型外围设备一般 为块设备。

I/O系统(3) 存储型外围设备可以划分为顺序存 取存储设备和直接存取存储设备。 顺序存取存储设备严格依赖信息的 物理位置进行定位和读写，如磁带。 直接存取存储设备的重要特性是存 取任何一个物理块所需的事件几乎 不依赖于此信息的位置，如磁盘。

设备的物理特性差异 数据传输率 数据表示方式 传输单位 出错条件

5.1.2 I/O控制方式 按照I/O控制器功能的强弱，以及 和CPU之间联系方式的不同，对 I/O设备的控制方式分类， 主要差别在于：中央处理器和外围 设备并行工作的方式不同，并行工 作的程度不同。

1 询问方式(1) 询问方式又称程序直接控制方式， 在这种方式下，输入输出指令或询 问指令测试一台设备的忙闲标志位， 决定主存储器和外围设备是否交换 一个字符或一个字。

询问方式(2)设置计数值 设置内存缓冲首址 启动外设 传送一个字 修改内存地址 修改计数值

就绪

是

完是

结束I/O

询问方式(3)

一旦CPU启动I/O设备，便不断查询I/O设 备的准备情况，终止原程序的执行，浪费 CPU时间； I/O准备就绪后，CPU参与数据传送工作， 而不能执行原程序， CPU和I/O设备串行工作，使主机不能充分 发挥效率，外围设备也不能得到合理使用， 整个系统效率很低。

2 中断方式(1) CPU启动I/O设备后，不必查询I/O 设备是否就绪，继续执行现行程序。 直到在启动指令后的某条指令，响 应了I/O中断请求，CPU才转至I/O 中断处理程序执行。

中断方式(2) 中断处理程序中，CPU全程参与 数据传输操作，它从I/O接口读一 个字(字节) 并写入主存，如果I/O 设备上的数据尚未传送完成，转 向现行

程序再次启动I/O设备，重 复上述过程；否则，中断处理程 序结束后，继续从K+1条指令执 行。

中断方式(3)现行程序启动I/O(读操作)

I/O中断处理程序CPU读I/O状态<有错>无

响应中断

继续执行

启动命令 返回源程 序

I/O控制器工作I/O设备就绪 发I/O中断

处理

第K条指令第K+1条指令

CPU从I/O接 口读一个字 CPU等一个 字到主存未 <完成> 返回断点

中断方式(4) I/O操作直接由CPU控制，每传送 一个字符或字，要发生一次中断， 仍然消耗大量CPU时间。 程序中断方式I/O,不必忙式查询 I/O准备情况，CPU和I/O设备可实 现部分并行，与程序查询的串行工 作方式相比，使CPU资源得到较充 分利用。

3 DMA方式(1) 如果I/O设备能直接与主存 交换数据而不占用CPU, CPU的利用率还可提高， 这就出现了直接存储器存 取DMA方式。

DMA方式(2)DMA至少需要以下逻辑部件

主存地址寄存器 字计数器 数据缓冲寄存器或数据缓冲区 设备地址寄存器 中断机制和控制逻辑

DMA方式(3)现行程序启动I/O (读操作)

启动命令返回原程序

DMA工作传输准备

I/O中断处理程序

响应中断

继续执行

处理DMA I/O结束中断返回断点

DMA向内 存发出询问 挪用内存周期 读/写操作修改内存地 址和计数未

第K条指令第K+1条指令

<块结束>发I/O结束

4 通道方式(1) 为获得CPU和外围设备间更高的 并行工作能力，也为了让种类繁 多，物理特性各异的外围设备能 以标准的接口连接到系统中，计 算机系统引入了自成独立体系的 通道结构。

通道方式(2)通道(输入输出处理器)(1) 能完成主存和外围设备间的信息 传送，与CPU并行地执行操作。 通道技术解决了I/O操作的独立 性和各部件工作的并行性。 由通道管理和控制I/O操作，减 少了外围设备和CPU的逻辑联系。 把CPU从琐碎的I/O操作中解放 出来。

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