第八章 輸入輸出管理

1、8.18.28.38.428.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念o 一、引言一、引言o 設備分類設備分類o 1. 存儲設備存儲設備:是存儲信息的設備，如：磁盤、磁鼓。（以塊為單位傳輸信息）。o 2. 輸入輸出設備輸入輸出設備:能將信息從計算機外部輸入到機內(nèi)，或反之，如：鍵盤、顯示器、打印機。 o 3.傳輸設備傳輸設備 n 負責計算機之間的信息傳輸，如調(diào)制調(diào)節(jié)器、網(wǎng)卡。o 設備按傳輸信息的特點來分：字符設備、塊設備38.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念o 設備設備管理的設計目標管理的設計目標n 1. 提高設備利用率（關(guān)鍵是實現(xiàn)設備的并行操作）提高設備利用率（關(guān)鍵是實現(xiàn)設備的并行操作）o

2、 合理分配設備o 提高設備與CPU、各外部設備之間的并行性（通道和中斷）n 2. 方便用戶使用方便用戶使用o 獨立于設備：用戶使用的設備與物理設備無關(guān)o 建立虛擬環(huán)境n 3. 設備處理的一致性設備處理的一致性o 設備品種繁多、用法各異，逐一管理十分復雜；o 輸入輸出系統(tǒng)應將設備的特性與處理它們的程序分開。48.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念o 二、輸入二、輸入/輸出輸出管理功能管理功能n 1. 狀態(tài)跟蹤狀態(tài)跟蹤o 動態(tài)地記錄各種設備的狀態(tài)（保留在設備控制塊中）n 2. 確定設備分配策略確定設備分配策略o 決定設備分配策略，確定誰、何時存取設備、使用多長時間。n 3. 設備分配與回收設備

3、分配與回收o 作業(yè)級靜態(tài)分配：作業(yè)進入系統(tǒng)時就進行分配，退出系統(tǒng)時就收回全部資源。o 進程級動態(tài)分配：進程需要使用某設備而提出申請時進行分配，使用完畢后立即將其收回。n 4. 設備控制設備控制o 負責將用戶I/O請求轉(zhuǎn)換為設備能識別的I/O指令，實施設備驅(qū)動和中斷處理的工作。5o 三三. 設備獨立性設備獨立性n 1. 設備獨立性概念設備獨立性概念o (1) 什么是設備獨立性什么是設備獨立性: 所謂設備獨立性是指，用戶在編制程序時所使用的設備與實際使用的設備無關(guān)，也就是在用戶程序中僅使用邏輯設備名。o (2) 邏輯設備名邏輯設備名: 邏輯設備名，是用戶自己指定的設備名(或設備號)，它是暫時的、可

4、更改的。o (3) 物理設備名物理設備名: 物理設備名是系統(tǒng)提供的設備的標準名稱，它是永久的、不可更改的。 8.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念6o 2. 設備獨立性的實現(xiàn)設備獨立性的實現(xiàn)n(1) 在高級語言中用軟通道實現(xiàn)在高級語言中用軟通道實現(xiàn)o 使用高級語言提供的指派語句，通過指派一個邏輯設備名（通道號）來定義一個設備或文件。 如：fd = open(“/dev/lp” ,mode)； number1=write（fd，buf，count1）；n(2) 在批處理系統(tǒng)中，用連接說明語句來定義在批處理系統(tǒng)中，用連接說明語句來定義 如：OUTPUT1 = LPTn(3) 在交互系統(tǒng)中，用指

5、派命令來定義在交互系統(tǒng)中，用指派命令來定義 如：PDP系列機上的RT11系統(tǒng) ASSIGN 設備物理名 設備邏輯名8.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念7n 邏輯設備描述器ldd（logic-device-descriptor)o 是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，進程控制塊中有一個指針指向它。o 3. 實現(xiàn)設備獨立性的優(yōu)點實現(xiàn)設備獨立性的優(yōu)點n 方便用戶n 改善設備利用率n 提高系統(tǒng)的可擴展性和可適應性 8.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念ldd_ptrpcbI1sr1dcb_ptrO1lp3dcb_ptrldd1ldd2Ldd包括：設備邏輯名設備物理名設備控制塊dcb指針邏輯設備描述器隊列勾鏈字8

6、8.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念o 四四. 設備控制塊設備控制塊 n 1. 什么是設備控制塊什么是設備控制塊(DCB )o 系統(tǒng)為每一臺設備都配置了一個用來記錄設備的硬件特性、連接和使用情況的一組數(shù)據(jù)，稱為設備控制塊。n 2.設備轉(zhuǎn)換表設備轉(zhuǎn)換表o 進程的每個I/O請求都要轉(zhuǎn)換成調(diào)用一個能執(zhí)行I/O操作的設備例程。通過操作碼檢索“設備轉(zhuǎn)換表”以找到相應的設備例程地址。9o 2. 設備控制塊的內(nèi)容設備控制塊的內(nèi)容n 表8.1 設備控制塊 dcb n 1. 設備名：是設備的系統(tǒng)名，即設備的物理名。n 2. 設備屬性：描述設備現(xiàn)行狀態(tài)的一組屬性n 3. 命令轉(zhuǎn)換表：轉(zhuǎn)換表包含設備特定的I/

7、O例程地址，不具備相應功能的設備在其例程地址上可以填“1”。設備名設備屬性指向命令轉(zhuǎn)換表的指針在I/O總線上的設備地址設備狀態(tài)當前用戶進程指針I(yè)/O請求隊列指針 8.1 輸入輸入/輸出管理概念輸出管理概念10o 一一. 緩沖概念緩沖概念n 1. 什么是緩沖什么是緩沖o 緩沖是兩種不同速度的設備之間傳輸信息時平滑傳輸過程的常用手段。n 2. 緩沖器緩沖器o 是以硬件的方式來實現(xiàn)緩沖，容量較小，是用來暫時存放數(shù)據(jù)的一種存儲裝置。n 3. 軟件緩沖區(qū)軟件緩沖區(qū)o 用來保存在兩設備之間或在設備和應用程序之間所傳數(shù)據(jù)的內(nèi)存區(qū)域。8.2 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)11o 4. 為什么引入緩沖為什么引入緩沖n (1)

8、 處理數(shù)據(jù)流的生產(chǎn)者與消費者間的速度差異處理數(shù)據(jù)流的生產(chǎn)者與消費者間的速度差異 o 如：從調(diào)制解調(diào)器收到一個文件，并保存到硬盤上。n (2) 協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設備協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設備o 在計算機網(wǎng)絡中用來處理消息的分段和重組。n (3) 應用程序的拷貝語義應用程序的拷貝語義o 如：操作系統(tǒng)為保證系統(tǒng)調(diào)用write的正確語義，即應用程序要寫入磁盤的數(shù)據(jù)就是write系統(tǒng)調(diào)用發(fā)生時的版本。o 方法：在系統(tǒng)調(diào)用返回前將應用程序緩沖區(qū)復制到內(nèi)核緩沖區(qū)。8.2 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)12o 二二. 常用的緩沖技術(shù)常用的緩沖技術(shù)n 雙緩沖、環(huán)形緩沖、緩沖池 n . 雙緩沖雙緩沖o 在雙緩沖方案下

9、，為輸入或輸出分配兩個緩沖區(qū)buf1 、 buf2 。o (1) 輸入數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖輸入數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖o (2) 輸出數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖輸出數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖o (3) 緩沖區(qū)既用于輸入，也用于輸出數(shù)據(jù)時，如何利緩沖區(qū)既用于輸入，也用于輸出數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖用雙緩沖8.2 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)13o (1) 輸入、輸出數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖輸入、輸出數(shù)據(jù)時，如何利用雙緩沖輸入設備輸入設備BUF1進程進程BUF2輸出設備輸出設備BUF1進程進程BUF28.2 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)14o 說明使用雙緩沖可以提高I/O的效率的例sio，讀一張卡片到 buf1等待卡片輸入機結(jié)束等待

10、打印機就緒sio，打印 buf1的內(nèi)容sio，讀一張卡片到 buf2等待卡片輸入機結(jié)束等待打印機就緒sio，打印 buf2的內(nèi)容讀卡機、打印機可并行操作讀卡機、打印機可并行操作8.2 緩沖技術(shù)緩沖技術(shù)15o 一、設備分配原則一、設備分配原則n 1. 靜態(tài)分配和動態(tài)分配o 獨占設備靜態(tài)分配；共享設備動態(tài)分配n 2. I/O設備分配算法o 先請求先服務o 優(yōu)先級最高者優(yōu)先n 3. 設備分配的安全性o 防止發(fā)生死鎖。 o 對獨占設備一般采用靜態(tài)分配，不會產(chǎn)生死鎖。若采用動態(tài)分配，如一個進程只提出一個I/O請求，則也不會產(chǎn)生死鎖，但如一個進程可同時操作多個外設時，就有可能產(chǎn)生死鎖。8.3 設備分配設備

11、分配16o 設備分配的主要技術(shù)設備分配的主要技術(shù)獨享、共享、虛擬技術(shù)獨享、共享、虛擬技術(shù)o 二二. 獨享分配獨享分配n1. 什么是獨享設備什么是獨享設備o 讓一個作業(yè)在整個運行期間獨占使用的設備。 n2. 什么是獨享分配什么是獨享分配o 在一個作業(yè)執(zhí)行前，將它所要使用的設備分配給它；當它結(jié)束撤離時，將分配給它的這類設備收回。o 三三. 共共享分配享分配n1. 什么是共享設備什么是共享設備o 由多個作業(yè)、進程共同使用的設備稱為共享設備（磁盤）。n2. 什么是共享分配什么是共享分配o 共享分配就是動態(tài)分配。當進程提出資源申請時，由設備管理模塊進行分配，進程使用完畢后，立即歸還。8.3 設備分配設備

12、分配17o 三三. 虛擬虛擬分配分配n虛擬分配：分配虛擬設備，使用SPOOLing系統(tǒng)。n1. SPOOL(Simultaneous Peripheral Operation On Line)ing系統(tǒng),即外部設備聯(lián)機同時操作o 實現(xiàn)思想：用常駐內(nèi)存的進程去模擬一臺外圍機，從而用一臺主機就可完成脫機技術(shù)中需要多臺計算機完成的工作。o 該系統(tǒng)在作業(yè)執(zhí)行前將作業(yè)信息通過獨占設備預先輸入到輔存上一個特定的區(qū)域（稱為“井”）存放好，稱為預輸入。o 作業(yè)執(zhí)行中，不必直接啟動獨占設備輸出數(shù)據(jù)，而只要將作業(yè)輸出數(shù)據(jù)寫入磁鼓或磁盤中存放，在作業(yè)執(zhí)行完畢后，由操作系統(tǒng)來組織信息輸出，稱為緩輸出。o Spool系

13、統(tǒng)利用通道和中斷技術(shù)，在主機控制之下，由通道完成輸入/輸出工作。系統(tǒng)包括預輸入程序、緩輸入程序和預輸入表、緩輸出表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。8.3 設備分配設備分配188.3 設備分配設備分配o 2.虛擬設備和虛擬分配虛擬設備和虛擬分配n 通過外部設備聯(lián)機操作技術(shù)后，一臺設備可以和輔存中若干個存儲區(qū)域相對應，所以在形式上就好像把一臺輸入設備（或輸出設備）變成了許多虛擬的輸入設備（或輸出設備）。即：把一臺不能共享的輸入輸出設備轉(zhuǎn)換成了一臺可以共享的緩沖輸入輸出設備。n 虛擬設備：通常把用來代替獨占型設備的那部分外存空間（包括有關(guān)的控制表格）稱為虛擬設備。n 虛擬分配技術(shù)：當某進程需要與獨占型設備交換信息時，S

14、pool系統(tǒng)就將與該獨占設備所對應的那部分磁盤、磁鼓的一部分存儲空間分配給它。19o虛擬虛擬設備設備 虛寬行1虛寬行2進程A進程B進程C進程D輸入井輸出井光字符閱讀機打印機虛光字符閱讀機虛光字符閱讀機8.3 設備分配設備分配20o 3. 虛擬打印功能虛擬打印功能o 4. SPOOLING系統(tǒng)的優(yōu)點系統(tǒng)的優(yōu)點n(1) 提供虛擬設備n(2) 加快作業(yè)處理速度n(3) 外圍設備同時聯(lián)機操作輸入機1輸入機2作業(yè)1作業(yè)2打印機磁盤輸入井磁盤輸出井內(nèi)存8.3 設備分配設備分配218.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 一、I/O硬件n端口（port）：計算機端口是設備與計算機通信的一個連接點。n總線：如果一

15、個或多個設備使用一組共同的線，這種連接稱為總線（bus）。o 總線是一組線和可以描述在線上傳輸信息的協(xié)議。n控制器：OS軟件和硬件設備之間接口，它接收CPU的命令，并控制I/O設備進行實際的操作； o 控制器通常有四種寄存器：狀態(tài)、控制、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出寄存器； 22o 二二. 輸入輸入/ /輸出輸出控制方式控制方式n CPU一般通過I/O控制器與物理設備打交道。按照I/O控制器智能化程度的高低，將I/O設備的控制方式分為四類：o 循環(huán)測試I/O方式o I/O中斷方式o DMA方式o 通道方式8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制23o 1. 循環(huán)測試循環(huán)測試I/O方式方式 n該方式中I/O控制

16、器是操作系統(tǒng)和軟件和硬件設備之間的接口，它接收CPU的命令，并控制I/O設備進行實際操作。n循環(huán)測試I/O工作過程。假如一個程序要從某一輸入設備輸入一個數(shù)據(jù)，那么將按如下步驟進行：o 把一個啟動位為“1”的控制字寫入該設備的控制狀態(tài)寄存器，從而啟動該設備進行輸入操作。o 反復讀控制寄存器的內(nèi)容，并測試其中的完成位，若為0，轉(zhuǎn)，否則轉(zhuǎn)。 o 把數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)讀入CPU或主存單元。n優(yōu)點：控制簡單，無須太多硬件支持；n缺點：CPU利用率低；8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制248.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 2. I/O中斷方式中斷方式 nI/O中斷方式實現(xiàn)了CPU與I/O設備并行工作，

17、提高了CPU利用率。它要求在控制狀態(tài)寄存器中有一位“中斷允許位”：n在I/O中斷方式下，數(shù)據(jù)的輸入按如下步驟進行：o 要求輸入數(shù)據(jù)的進程把一個啟動和中斷允許位為“1”的控制字寫入設備控制狀態(tài)寄存器中，從而啟動該設備進行物理操作。o 上述進程因等待輸入操作的完成而進入等待狀態(tài)。于是進程調(diào)度程序調(diào)另一進程運行。o 當輸入完成時，輸入設備通過中斷申請線向CPU發(fā)中斷請求信號，通過中斷進入，CPU轉(zhuǎn)向該設備的中斷處理程序。 258.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 中斷處理程序首先保護被中斷程序的現(xiàn)場，然后把輸入緩沖寄存器中的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到某一特定單元中去，以便要輸入的進程使用。同時，還把等待輸入完成

18、的那個進程喚醒，最后中斷處理程序恢復被中斷程序的現(xiàn)場，并返回到被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行。 o 在以后某個時刻，進程調(diào)度程序?qū)⒄{(diào)度到要求輸入的進程，該進程從約定的特定單元中取出做進一步處理。n 優(yōu)點：CPU的利用率大大提高；n 缺點：每臺設備每次輸入輸出都會產(chǎn)生中斷，中斷次數(shù)太多，影響CPU的有效計算時間；268.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 3. 通道方式通道方式 n通道：一個獨立于CPU的專管輸入/輸出控制的處理機，它控制設備和內(nèi)存直接進行數(shù)據(jù)交換，它有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動，并在操作結(jié)束時向CPU發(fā)中斷信號；通道也被稱為“I/O處理機”。n通道的三種類型：字節(jié)多路通道（多

19、個通道程序輪流執(zhí)行）；選擇通道（一個通道程序從頭到尾執(zhí)行）；數(shù)組多路通道（分時方式執(zhí)行幾個通道程序）；n優(yōu)點：有關(guān)I/O工作，CPU委托通道去做，使CPU基本擺脫了I/O控制工作，大大提高了CPU和外設的并行工作程度。 278.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制.288.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 4. DMA方式 n在外設和主存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路；nDMA控制器取代I/O控制器，控制外設和主存之間成批的進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU干預；nDMA控制器中包含有：控制狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、傳送字節(jié)數(shù)寄存器、內(nèi)存地址寄存器；nCPU只在兩處參與數(shù)據(jù)傳輸工作：o 數(shù)據(jù)塊傳送開始時發(fā)啟動

20、命令；o 整個數(shù)據(jù)塊傳輸結(jié)束時發(fā)中斷信號請求CPU進行中斷處理；nDMA控制器與CPU、主存及I/O設備這間的關(guān)系如圖：298.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制.30o 三、三、I/O子系統(tǒng)子系統(tǒng)n為了對不同的設備按統(tǒng)一的標準方式來處理，為用戶建立虛擬環(huán)境，I/O子系統(tǒng)采用了抽象、包裝與軟件分層的方法。每個通用類型都可以通過一組標準函數(shù)（接口）來訪問。8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制軟件硬件318.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制o 1.各類設備的接口各類設備的接口n塊設備接口o 塊設備接口規(guī)定了訪問磁盤驅(qū)動器和其他基本塊設備所需要的各方面。o 一般而言設備應提供read和write命令，隨機訪

21、問還提供seek命令，它們描述了塊存儲設備的基本特點，應用程序就不必關(guān)注這些設備的低層細節(jié)差別。n主存映射接口o 主存映射接口不提供read和write操作，而是通過主存中的字節(jié)數(shù)組來訪問磁盤存儲信息。系統(tǒng)調(diào)用將文件映射在主存上，并返回一個字符數(shù)組的虛擬主存地址，該字符數(shù)組包含了文件的拷貝。實際數(shù)據(jù)的傳輸在需要時才執(zhí)行。328.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制n 字符流設備接口o 這類設備的基本系統(tǒng)調(diào)用使應用程序可get或put字符。n 網(wǎng)絡套接字接口o 基于套接字(套接字，簡單的說就是通信的兩方的一種約定 )接口的系統(tǒng)調(diào)用可以讓應用程序創(chuàng)建一個套接字，連接本地套接字和遠程地址（將本地應用程序與

22、由遠程應用程序創(chuàng)建的套接字相連），監(jiān)聽要與本地套接字相連的遠程應用程序。連接后可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。o 套接字接口還提供了select函數(shù)，用來管理一組套接字。33o 2. I/O子系統(tǒng)功能子系統(tǒng)功能n I/O子系統(tǒng)使進程能與外部設備及網(wǎng)絡進行通信，主要功能：o (1) 解釋用戶的I/O系統(tǒng)調(diào)用o (2) 設備驅(qū)動o (3) 中斷處理n 設備處理程序設備處理程序o 設備處理程序是能直接控制設備運轉(zhuǎn)的程序，它根據(jù)各類設備的特點和性能來編寫。每一類設備有一個相應的設備處理程序，能控制同類中多臺物理設備同時工作。8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制34o 3. 調(diào)用調(diào)用I/O核心模塊的方式核心模塊的方式

23、n控制設備I/O工作的核心模塊通常稱為設備驅(qū)動程序，該核心模塊有以下兩種實現(xiàn)方式：n(1) 以設備處理進程的方式o為每一類設備設置一個設備處理進程(對應的程序就是設備處理程序)o該進程當有I/O請求來到時，被喚醒，進行設備驅(qū)動工作o當沒有I/O請求時，就睡眠oI/O控制模塊的接口程序：負責解釋用戶的I/O系統(tǒng)調(diào)用；轉(zhuǎn)換成I/O控制模塊認識的命令形式；將I/O請求發(fā)給對應的設備處理進程。n(2) 將設備與文件一樣對待o將設備與文件一樣對待，使用文件系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用命令進行設備的讀、寫。8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制35o 四四. I/O控制的例控制的例n I/O接口程序接口程序(I/O過程過程

24、)o 1. 將邏輯設備轉(zhuǎn)換為物理設備將邏輯設備轉(zhuǎn)換為物理設備n 根據(jù) I/O系統(tǒng)調(diào)用中給出的邏輯設備名(ldev)n 根據(jù)邏輯設備描述器，將邏輯設備名轉(zhuǎn)換為物理設備名o 2. 合法性檢查合法性檢查n 對所需進行的操作進行合法性檢查。n 根據(jù) I/O系統(tǒng)調(diào)用中給出的操作模式moden 根據(jù)DCB中命令轉(zhuǎn)換表中允許的操作o 3. 形成形成I/O請求塊，發(fā)消息給對應的設備處理進程請求塊，發(fā)消息給對應的設備處理進程n 將請求的參數(shù)輸入到I/O請求塊(IORB)n 將I/O請求塊(IORB)掛到對應的設備請求隊列上8.4 輸入輸入/輸出控制輸出控制36o I/O請求接口程序的描述請求接口程序的描述 算法 doio 輸入：設備的邏輯名 ldev 操作類型 mode 傳送數(shù)據(jù)數(shù)目 amount 傳送數(shù)據(jù)地址 addr 輸出：如果傳送出錯，則帶錯誤碼返回，