(36)--6.1 系统概述操作系统原理.pdf

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1、I/O 系 统 概 述 目 录 01 I/O系统的基本功能 02 I/O系统层次结构和模型 03 I/O设备和设备控制器 04 小结 一、I/O系统的基本功能 1.I/O 系统 通常把I/O硬件和操作系统对 I/O设备管理的I/O软件统称为I/O 系统。2.I/O的特点 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。I/O性能经常成为系统性能的瓶颈。一、I/O系统的基本功能 3.I/O系统的基本功能 设备映射 设备分配 设备驱动 隐藏物理设备细节 与设备无关性 提高处理机和设备利用率 设备控制 确保对设备的正确共享 错误处理 二、I/O系统结构和模型 设备 控制器 命令寄存器

2、 I/O系统结构图 操作系统 I/O硬件管理 I/O软件管理 上层用户程序（应用层）底层硬件设备（物理层）键盘中断处理程序 设备驱动程序 设备独立性软件 用户层软件 状态寄存器 数据寄存器 二、I/O系统结构和模型 I/O系统的软件层次 硬件 中断处理程序 设备驱动程序 设备独立性软件 用户层I/O软件 实现与用户交互的接口，I/O系统调用，数据格式化SPOOLING。执行I/O操作 唤醒设备驱动程序进程，中断处理。具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动设备工作。实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、保护、分配和释放，缓冲技术。核心态 用户态 I/O请求 I/O完成后的回答 三、I/O

3、设备和设备控制器 I/O设备一般由执行I/O操作的机械部分和执行控制的电子部件组成。执行I/O操作的部分即一般I/O设备;而执行控制I/O的电子部件称为设备控制器（适配器）;在大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。三、I/O设备和设备控制器 1.I/O设备 按交互对象分类 人机交互设备：显示设备、键盘、鼠标、打印机 与CPU等交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器 计算机间通信设备：网卡、调制解调器 按交互方向分 输入设备：键盘、扫描仪 输出设备：显示设备、打印机 双向设备（输入/输入）：磁盘、网卡 按外设特性分类 使用特性：存储、输入输入 数据传输速率：低速（如键盘）、中速

4、（如打印机）、高速（网卡、磁盘）信息组织特征：字符设备（如打印机）、块设备（如磁盘）、网络设备 三、I/O设备和设备控制器 2.设备控制器 设备控制器是计算机中的一个硬件，是CPU与I/O设备之间的接口，主要接受CPU的I/O指令，控制设备工作，实现设备和计算机间的数据交换。（1）功能 接收和识别命令 数据交换 监测设备状态 差错控制 CPU 下达控制命令下达控制命令 地址识别地址识别 out 10H，1 10H 11H 命令接收命令接收 命令识别命令识别 弹出弹出 光盘光盘 光盘光盘 就绪就绪 产生中断信号产生中断信号 通知通知CPU 光盘驱动器光盘驱动器 光盘控制器光盘控制器 三、I/O设

5、备和设备控制器（2）设备控制器的组成 数据寄存器数据寄存器控制控制/状态状态寄存器寄存器数据线数据线 I I/O O逻辑逻辑 控制器控制器与设备与设备接口接口1 控制器控制器与设备与设备接口接口i i 数据数据状态状态控制控制数据数据状态状态控制控制地址线地址线控制线控制线CPUCPU与控制器接口与控制器接口 控制器与设备接口控制器与设备接口与处理机的接口 用于实现设备控制器与设备之间的通信 实现控制功能：命令识别，状态处理 三、I/O设备和设备控制器 3.I/O通道的引入 目的：建立独立的I/O操作，以保证CPU有更多的时间去进行数据处理。即：把CPU 从繁重的I/O任务中解脱出来。通道：是

6、一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序控制I/O操作。一个通道可连接多个设备控制器。过程：CPU I/O指令 通道 内存中取出 通道程序（本次要执行）执行 完成后 向CPU发中断信号 与处理机的区别：指令类型单一，仅限于和I/O操作相关的指令；没有自己的内存。通道程序存放在主机的内存中，即与 CPU共享主存。三、I/O设备和设备控制器 CPU 主存 通道 通道 通道 通道 某I/O设备 磁盘 磁带 通信设备 主存 可同时进行 控制 三、I/O设备和设备控制器 “瓶颈”问题（Bottleneck Problem）通道是整个系统的瓶颈。存储器 通道1 通道2 设备控制器2 设备控制器3 设备控制器4 I/O设备3 I/O设备4 I/O设备5 I/O设备6 I/O设备2 I/O设备1 设备控制器1 三、I/O设备和设备控制器 解决方法:变单通路I/O系统为多通路I/O系统。存储器 通道1 通道2 控制器1 控制器2 I/O设备1 I/O设备2 I/O设备3 五、小结 I/O系统功能 I/O系统的结构 上层软件层次模型 底层硬件结构 I/O设备 设备控制器 通道 谢 谢 大 家!