第4章_IO设备管理课件.
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第四章 设备与IO管理
容减1。若减1后DC内容不为0，表示传送未完，便继续传送下 一个字(节)；否则，由DMA控制器发出中断请求。图5-9是
DMA方式的工作流程。
DMA传输
4.4 提高设备管理性能的相关技术
缓冲技术 SPOOLing技术 设备独立性。
4.4.1 缓冲技术 为了缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾,提高 CPU和I／O设备的并行性，在现代操作系统中，几 乎所有的I／O设备在与处理机交换数据时，都用了 缓冲区，缓冲管理的主要职责是组织好这些缓冲区， 并提供获得和释放缓冲区的手段.
中断类型： ٭外部中断事件
▪ 计算机故障中断 ▪ 输入输出中断事件
٭内部中断事件
▪ 程序性中断事件 ▪ 系统调用中断
中断响应 ٭处理器每执行完一条指令后，硬件的中断装置（IRL,中 断请求线）立即检查有无中断事件发生，若有中断事件 发生，则暂停现行进程的执行，而让操作系统的中断处 理程序占用处理器。中断处理程序判断中断原因，进行 必要处理，执行从中断返回指令以便使cpu返回中断前执 行状态。
第四章 设备与I/O管理 设备管理是指:计算机系统中除了CPU和内存以外的
所有输入、输出设备的管理。
除了进行实际I/O操作的设备外，也包括了诸如设
备控制器，DMA控制器，中断控制器，通道等支持
设备。
设备管理是操作系统的重要而又基本的组成部分，
特别是在一个多用户、配备有种类繁多的输入输出
设备的计算机系统中，更需要对这些设备进行统一
4.3.2 设备的I/O控制方式 ٭查询I/O方式 ٭中断I/O方式 ٭DMA控制方式
1、查询I/O方式 ٭忙——等待方式
٭CPU向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状态 寄存器中的状态标志置1，busy=1； ٭然后不断地循环检测状态标志。
DMA方式的工作流程。
DMA传输
4.4 提高设备管理性能的相关技术
缓冲技术 SPOOLing技术 设备独立性。
4.4.1 缓冲技术 为了缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾,提高 CPU和I／O设备的并行性，在现代操作系统中，几 乎所有的I／O设备在与处理机交换数据时，都用了 缓冲区，缓冲管理的主要职责是组织好这些缓冲区， 并提供获得和释放缓冲区的手段.
中断类型： ٭外部中断事件
▪ 计算机故障中断 ▪ 输入输出中断事件
٭内部中断事件
▪ 程序性中断事件 ▪ 系统调用中断
中断响应 ٭处理器每执行完一条指令后，硬件的中断装置（IRL,中 断请求线）立即检查有无中断事件发生，若有中断事件 发生，则暂停现行进程的执行，而让操作系统的中断处 理程序占用处理器。中断处理程序判断中断原因，进行 必要处理，执行从中断返回指令以便使cpu返回中断前执 行状态。
第四章 设备与I/O管理 设备管理是指:计算机系统中除了CPU和内存以外的
所有输入、输出设备的管理。
除了进行实际I/O操作的设备外，也包括了诸如设
备控制器，DMA控制器，中断控制器，通道等支持
设备。
设备管理是操作系统的重要而又基本的组成部分，
特别是在一个多用户、配备有种类繁多的输入输出
设备的计算机系统中，更需要对这些设备进行统一
4.3.2 设备的I/O控制方式 ٭查询I/O方式 ٭中断I/O方式 ٭DMA控制方式
1、查询I/O方式 ٭忙——等待方式
٭CPU向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状态 寄存器中的状态标志置1，busy=1； ٭然后不断地循环检测状态标志。
第4章IO设备管理
此外，许多控制器还有一个数据缓冲区供OS读写。
进程管理
如何让I/O第4设章IO备设备工管作理 ？
问题： CPU如何与设备控制器进行通信？这
不是普通的内存访问！
方法有三种： ➢ I/O独立编址； ➢ 内存映像编址； ➢ 混合编址。
进程管理
第4章IO设备管理
1. I/O独立编址
基本思路：给控制器中的每一个寄存器分配一个唯 一的I/O端口（I/O port）编号，称为I/O端口地址， 然后用专门的I/O指令对端口进行操作；
端口地址空间与内存的地址空间统一编址，前者是 后者的一部分，一般位于后者的顶端部分。
进程管理
第4章IO设备管理
编程方便，无需专门的I/O指令(C vs. 汇编)； 不能对控制寄存器的内容进行Cache，须关闭； 每一次都要判断访问的是内存还是I/O。
进程管理
第4章IO设备管理
3. 混合编址
第4章IO设备管理
到目前为止，已经介绍了I/O设备的类型、 设备的控制器、I/O的端口地址。现在的 问题是：根据已有的这些知识，现在能否 开始编程使用这些I/O设备，完成相应的输 入输出功能呢？
进程管理
第4章IO设备管理
4.2 I/O控制方式
程序循环检测方式(Programmed I/O) 中断驱动方式(Interrupt-driven I/O) 直接内存访问方式(DMA, Direct Memory Access)
这些端口地址所构成的 地址空间是完全独立的， 与内存的地址空间没有 关系。例如： IN R0 [4] 表示读入I/O 端口地址为4的内容； MOV R0 [4] 表示读入 内存地址为4的内容；
进程管理
第4章IO设备管理
Linux0.11/boot/setup.s
第4讲 IO设备管理和文件管理
17
4.2.3 与设备无关的I/O软件
大部分I/O软件是与设备无关的，设备驱动程序与
设备独立软件之间的确切界限依赖于具体系统，因为
对于一些本来应按照设备独立方式实现的功能，出于
效率和其他原因，实际上还是由设备驱动来实现的。 与设备无关软件层通常应实现的功能为： 设备驱动程序的统一接口、设备命名、提供一个
– 错误条件。
5
字符设备和块设备 – 字符设备：以字符流或字节流为单位
组织和处理信息的设备。属于无结构
设备
– 块设备：以数据块为单位组织和处理
信息的设备。是一种有结构设备。
6
4.1.2 设备控制器
I/O设备一般由两部分组成：
– 电子部分：设备控制器或适配器。 – 机械部分：设备本身，控制器通过电
43
2. 文件目录结构
• 目录文件是由若干个文件目录组成。
• 文件目录结构是指目录文件的组织形式。 常用的目录结构有单级目录，二级目录和 多级目录。
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(1) 单级目录 文件系统在每个存储设备上仅建立一个目录 文件的目录结构，称为单级目录。 目录文件中的每一目录项(或称一条记录)对 应一个文件目录，它包含相对的数据项(文件名 及扩展名、物理地址、说明信息)，如图所示。
33
2. 文件系统的主要功能 • 实现按文件名存取文件信息，完成从文件名到 文件存储物理地址映射。 • 文件存储空间的分配与回收。 • 对文件及文件目录的管理。 • 提供(创建)操作系统与用户的接口。常见的接
口有：
– 菜单式接口。 – 程序接口。
• 提供有关文件自身的服务。
34
8.2 文件的结构及存取方式
为了便于管理，包括DOS、WINDOWS、
《IO设备管理》课件
IO设备的分类
输入设备
介绍各种常见的输入设备， 如键盘、鼠标和触摸屏等， 并讨论它们的特点和用途。
输出设备
探讨输出设备的种类，如显 示器、打印机和音频设备， 以及它们在数据传输和展示 中的不同作用。
存储设备
介绍不同类型的存储设备， 如硬盘、固态硬盘和光盘， 并讨论它们的特点和应用场 景。
IO设备的作用
在本节中，我们将探讨IO设备在计算机系统中的重要作用，包括数据输入输 出、信息传递和系统功能的扩展。
ห้องสมุดไป่ตู้
IO设备的管理
1
IO设备的操作方法
介绍IO设备的操作方法，包括直接IO和程序控制IO，以及它们在不同场景下的运用。
2
IO设备的资源分配
探讨如何对IO设备进行资源分配和调度，以提高系统的整体性能和效率。
介绍各种常见的IO设备缓存技术， 如硬盘缓存、网络缓存和内存缓 存等。
总结与展望
在本节中，我们将回顾所学内容，并展望IO设备管理领域的未来发展趋势， 以及它对计算机系统性能和用户体验的重要性。
3
IO设备的中断处理
讨论IO设备的中断处理机制，包括中断请求的产生、中断处理程序的执行和中断向量的管理。
IO设备的优化
IO设备的性能优化
介绍如何通过优化IO设备的传输 速度和数据处理能力，提升系统 的整体性能。
IO设备的并发控制
IO设备的缓存技术
探讨如何实现IO设备的并发控制， 以充分利用计算机系统的资源并 提高系统的吞吐量。
《IO设备管理》PPT课件
欢迎来到《IO设备管理》的课程介绍！在本课程中，我们将深入了解IO设备 的概念、分类以及作用。接下来，我们还将学习IO设备的管理、优化和总结 展望。让我们一起探索这个令人兴奋的领域吧！
第四章-设备管理-
28
设备驱动程序
设备驱动程序一般由设备制造商提供，不包含在操 作系统中。
但是，为了方便用户，操作系统软件包中通常会集 成提供标准的、通用的或者流行的、常用设备厂商 的设备驱动程序供用户选择。
从系统分层的观点来讲，设备驱动程序可以是操作 系统的一部分，也可以被认为是硬件设备的一部分。
29
I/O控制方式
I/O设备
I/O设备
I/O设备
20
通道型I/O系统的结构
处理机 系统总线
内存
I/O通道
I/O通道
I/O通道
I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备
21
具有控制器的I/O系统结构
传统的设备 = 机械部分 + 电子部分 电子部分在系统的控制下驱动机械部分运转，完成
I/O操作。 由于设备中电子部分比机械部分的速度快得多。为
11
设备驱动
设备驱动程序与硬件密切相关，应为每一类设备配 置一种驱动程序。
设备驱动程序一般由设备开发厂商根据操作系统的 要求组织编写，操作系统仅对与设备驱动的接口提 出要求，一般不负责具体设备驱动程序的编写。
有时候，某些硬件无法在某种操作系统中使用，原 因很可能就是没有专门的或通用的设备驱动程序， 或者设备驱动程序设计有问题，使得设备无法正常 工作。
—程序I/O方式
在早期的计算机系统中，由于没有中断装置， 处理机对于I/O设备的控制采取程序I/O方 式
也称忙等待方式或循环测试方式。 对于读操作，这种方式的基本工作过程为：
30
①处理机向设备(或设备控制器)发出一条I/O指令 启动设备、输入数据，同时将状态寄存器中的 “忙”标志置为1。
②处理机不断地循环测试忙标志，直到忙标志变为0； ③处理机通过I/O读指令将数据从数据寄存器中取
设备驱动程序
设备驱动程序一般由设备制造商提供，不包含在操 作系统中。
但是，为了方便用户，操作系统软件包中通常会集 成提供标准的、通用的或者流行的、常用设备厂商 的设备驱动程序供用户选择。
从系统分层的观点来讲，设备驱动程序可以是操作 系统的一部分，也可以被认为是硬件设备的一部分。
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I/O控制方式
I/O设备
I/O设备
I/O设备
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通道型I/O系统的结构
处理机 系统总线
内存
I/O通道
I/O通道
I/O通道
I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备 I/O设备
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具有控制器的I/O系统结构
传统的设备 = 机械部分 + 电子部分 电子部分在系统的控制下驱动机械部分运转，完成
I/O操作。 由于设备中电子部分比机械部分的速度快得多。为
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设备驱动
设备驱动程序与硬件密切相关，应为每一类设备配 置一种驱动程序。
设备驱动程序一般由设备开发厂商根据操作系统的 要求组织编写，操作系统仅对与设备驱动的接口提 出要求，一般不负责具体设备驱动程序的编写。
有时候，某些硬件无法在某种操作系统中使用，原 因很可能就是没有专门的或通用的设备驱动程序， 或者设备驱动程序设计有问题，使得设备无法正常 工作。
—程序I/O方式
在早期的计算机系统中，由于没有中断装置， 处理机对于I/O设备的控制采取程序I/O方 式
也称忙等待方式或循环测试方式。 对于读操作，这种方式的基本工作过程为：
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①处理机向设备(或设备控制器)发出一条I/O指令 启动设备、输入数据，同时将状态寄存器中的 “忙”标志置为1。
②处理机不断地循环测试忙标志，直到忙标志变为0； ③处理机通过I/O读指令将数据从数据寄存器中取
第四章 设备管理
动态地掌握并记录设备的状态 设备分配和释放 缓冲区管理 实现物理I/O设备的操作
4.2.1 设备的使用与管理
设备相关系统调用：
申请设备：该系统调用中有参数说明了要申请 的设备名称，操作系统处理该系统调用时，会 按照设备特性（是独占还是分时共享式使用） 及设备的占用情况来分配设备，返回申请是否 成功标志。
3. 硬件连接结构
系统总线
处理器
通道处 理器
内存
I/O 总 线
I/O 控制器
I/O 控制器
I/O 控制器
I/O 控制器ຫໍສະໝຸດ 4.1.4 I/O通道4. 通道工作原理
通道相当于一个功能简单的处理机， 包含通道指令（空操作，读操作，写操 作，控制，转移操作），并可执行用这 些指令编写的通道程序
1) 通道运算控制部件
4.1.4 I/O通道
5. 通道与CPU的关系 主从关系 可并行工作 有通信方式 作用不同（通道－－Ｉ/Ｏ；
ＣＰＵ－－计算）
4.1.4 I/O通道
通道传送与中断传送的区别：
中断控制传送由中断控制器发出中断信息，中止 CPU现行程序，转去执行中断服务程序。通道方 式则是通过执行通道程序来实现。
每个设备一个 每个控制器一个 每个通道一个 整个系统一个
数据结构（续）
1) 系统设备表SDT
整个系统一张表，记录系统中所 有I/O设备的信息，表目包括： 设备类型、设备标识符、进程标识符、 DCT表指针等。
数据结构（续）
2) 设备控制表DCT
主要内容：设备类型、设备标识符、设备 状态、与此设备相连的COCT、重复执行的 次数或时间、等待队列的队首和队尾指针、 I/O程序地址 3)控制器控制表COCT 4)通道控制表CHCT COCT和CHCT与DCT类似
4.2.1 设备的使用与管理
设备相关系统调用：
申请设备：该系统调用中有参数说明了要申请 的设备名称，操作系统处理该系统调用时，会 按照设备特性（是独占还是分时共享式使用） 及设备的占用情况来分配设备，返回申请是否 成功标志。
3. 硬件连接结构
系统总线
处理器
通道处 理器
内存
I/O 总 线
I/O 控制器
I/O 控制器
I/O 控制器
I/O 控制器ຫໍສະໝຸດ 4.1.4 I/O通道4. 通道工作原理
通道相当于一个功能简单的处理机， 包含通道指令（空操作，读操作，写操 作，控制，转移操作），并可执行用这 些指令编写的通道程序
1) 通道运算控制部件
4.1.4 I/O通道
5. 通道与CPU的关系 主从关系 可并行工作 有通信方式 作用不同（通道－－Ｉ/Ｏ；
ＣＰＵ－－计算）
4.1.4 I/O通道
通道传送与中断传送的区别：
中断控制传送由中断控制器发出中断信息，中止 CPU现行程序，转去执行中断服务程序。通道方 式则是通过执行通道程序来实现。
每个设备一个 每个控制器一个 每个通道一个 整个系统一个
数据结构（续）
1) 系统设备表SDT
整个系统一张表，记录系统中所 有I/O设备的信息，表目包括： 设备类型、设备标识符、进程标识符、 DCT表指针等。
数据结构（续）
2) 设备控制表DCT
主要内容：设备类型、设备标识符、设备 状态、与此设备相连的COCT、重复执行的 次数或时间、等待队列的队首和队尾指针、 I/O程序地址 3)控制器控制表COCT 4)通道控制表CHCT COCT和CHCT与DCT类似
操作系统课件——设备管理
09:38 15
Байду номын сангаас
中断源与中断分类 引起中断发生的事件称为中断源。 通常中断源是由硬件产生的信号，目的是通知CPU某个需要处理 的事件。如，当敲打键盘时，键盘控制器就会产生一个键盘中断源 信号。 在计算机系统中有很多种类的中断源。 由设备数据传输过程中发生的中断属于I/O中断，是中断源 中的一大类。 其他中断源有周期性的时钟中断、电源掉电产生的中断等。 此外，一些来自CPU内部的事件或程序执行中的异常事件(如 CPU故障、除数为0、内存溢出、执行了陷入指令等)也会被 作为中断对待和处理。这类由内部故障或程序故障引起的中 断事件称为“异常”(exception)。
09:38
13
2 设备管理的任务
缓冲管理 设备分配 设备驱动：实现CPU与设备控制器间的通信 虚拟设备：通过虚拟技术，将一台物理设备映射为多 个逻辑设备 设备独立性：设备无关性，应用程序独立于具体使用 的物理设备
09:38
14
3 中断技术
在计算机运行期间，当系统内部或外部发生了某个 异步事件需要CPU处理时，CPU将暂时中止当前正在执行 的程序，而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕 后又返回原来被中断处，继续执行或者调度新的进程执 行，这个过程就称为“中断”(interrupt)。 异步事件是指与系统运行没有时序关系的、不可预 期的事件，如用户按下键盘按键、磁盘传输数据完成、 系统硬件出现故障等都是异步产生的事件。 中断技术最早应用在I/O传输过程中，它使外部设备 和CPU的并行工作成为可能。而后中断技术扩大到设备之 外的其他事件。现在，凡是需要CPU干涉或处理的异步事 件都采用中断的手段进行处理。
物理设备：以某种物理方式(机械、电磁、光电、压 电等)运作，实际执行数据I/O操作的物理装置。
Байду номын сангаас
中断源与中断分类 引起中断发生的事件称为中断源。 通常中断源是由硬件产生的信号，目的是通知CPU某个需要处理 的事件。如，当敲打键盘时，键盘控制器就会产生一个键盘中断源 信号。 在计算机系统中有很多种类的中断源。 由设备数据传输过程中发生的中断属于I/O中断，是中断源 中的一大类。 其他中断源有周期性的时钟中断、电源掉电产生的中断等。 此外，一些来自CPU内部的事件或程序执行中的异常事件(如 CPU故障、除数为0、内存溢出、执行了陷入指令等)也会被 作为中断对待和处理。这类由内部故障或程序故障引起的中 断事件称为“异常”(exception)。
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2 设备管理的任务
缓冲管理 设备分配 设备驱动：实现CPU与设备控制器间的通信 虚拟设备：通过虚拟技术，将一台物理设备映射为多 个逻辑设备 设备独立性：设备无关性，应用程序独立于具体使用 的物理设备
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14
3 中断技术
在计算机运行期间，当系统内部或外部发生了某个 异步事件需要CPU处理时，CPU将暂时中止当前正在执行 的程序，而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕 后又返回原来被中断处，继续执行或者调度新的进程执 行，这个过程就称为“中断”(interrupt)。 异步事件是指与系统运行没有时序关系的、不可预 期的事件，如用户按下键盘按键、磁盘传输数据完成、 系统硬件出现故障等都是异步产生的事件。 中断技术最早应用在I/O传输过程中，它使外部设备 和CPU的并行工作成为可能。而后中断技术扩大到设备之 外的其他事件。现在，凡是需要CPU干涉或处理的异步事 件都采用中断的手段进行处理。
物理设备：以某种物理方式(机械、电磁、光电、压 电等)运作，实际执行数据I/O操作的物理装置。
设备管理培训课件(PPT 155页)
; 5、在以后的某个时期,该程序被调度到后,继续运行。
* 32
*
图5-7 中断驱动方式的流程
33
中断控制方式的特点 ➢中断控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的 利用率。 ➢每输入输出一个数据都发生中断,传输一次数据 需要多次中断,浪费了CPU的处理时间。 ➢I/O以字节为单位 ➢CPU与I/O设备并行操作。
* 13
5.1.3 I/O通道
1.I/O通道(I/O Channel)设备的引入 ➢ 是一种特殊处理机,专门负责输入/输出工作 ➢ 有自己简单的指令系统,只有数据传送指令和设备控制 指令 ➢ 主要目的是为了建立独立的I/O操作,使有关对I/O操作 的组织、管理及其结束处理也独立于CPU ➢ CPU向I/O通道发送I/O命令,由通道执行程序 ➢ 通道与一般处理机的区别 ✓指令类型单一,局限于与I/O操作有关命令。 ✓没有独立的内存,通道与CPU共享内存。
➢低速设备
✓每秒几个字节至数百字节
✓键盘、鼠标、语音输入输出设备等
➢中速设备
✓每秒数千至数万字节
✓行式打印机、激光打印机等
➢高速设备
✓每秒数百K至数十M字节
*
✓磁盘机、磁带机、光盘机等
4
• (2)按信息交换的单位分类
➢块设备(Block Device)
✓信息的存取总是以数据块为单位
✓基本特征是其传输速率较高,通常每秒钟为几兆位
(3)数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存,或从内存 到设备的数据。
(4)数据计数器DC。存放本次CPU要读或写的字(节)数
。*
38
直接存储器存取控制方式的步骤 ①当进程要求设备输入一批数据时,CPU将设备存放输 入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA 控制器中的地址寄存器和传送字节计数器;另外,还 要将中断位和启动位置为1,以启动设备开始进行数 据输入并允许中断。 ②发出数据要求的进程进入等待状态,进程调度程序调 度其他进程占据CPU。 ③输入设备不断地挪用CPU工作周期,将数据寄存器中 的数据源源不断地写入内存,直到所要求的字节全部 传送完毕。 ④DMA控制器在传送字节数完成时,通过中断请求线发 出中断信号,CPU收到中断信号后转中断处理程序,唤 醒等待输入完成的进程,并返回被中断的程序。 ⑤在以后的某个时刻,进程调度程序选中提出请求输入 的进程,该进程从指定的内存始址取出数据做进一步 处理。
* 32
*
图5-7 中断驱动方式的流程
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中断控制方式的特点 ➢中断控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的 利用率。 ➢每输入输出一个数据都发生中断,传输一次数据 需要多次中断,浪费了CPU的处理时间。 ➢I/O以字节为单位 ➢CPU与I/O设备并行操作。
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5.1.3 I/O通道
1.I/O通道(I/O Channel)设备的引入 ➢ 是一种特殊处理机,专门负责输入/输出工作 ➢ 有自己简单的指令系统,只有数据传送指令和设备控制 指令 ➢ 主要目的是为了建立独立的I/O操作,使有关对I/O操作 的组织、管理及其结束处理也独立于CPU ➢ CPU向I/O通道发送I/O命令,由通道执行程序 ➢ 通道与一般处理机的区别 ✓指令类型单一,局限于与I/O操作有关命令。 ✓没有独立的内存,通道与CPU共享内存。
➢低速设备
✓每秒几个字节至数百字节
✓键盘、鼠标、语音输入输出设备等
➢中速设备
✓每秒数千至数万字节
✓行式打印机、激光打印机等
➢高速设备
✓每秒数百K至数十M字节
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✓磁盘机、磁带机、光盘机等
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• (2)按信息交换的单位分类
➢块设备(Block Device)
✓信息的存取总是以数据块为单位
✓基本特征是其传输速率较高,通常每秒钟为几兆位
(3)数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存,或从内存 到设备的数据。
(4)数据计数器DC。存放本次CPU要读或写的字(节)数
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直接存储器存取控制方式的步骤 ①当进程要求设备输入一批数据时,CPU将设备存放输 入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA 控制器中的地址寄存器和传送字节计数器;另外,还 要将中断位和启动位置为1,以启动设备开始进行数 据输入并允许中断。 ②发出数据要求的进程进入等待状态,进程调度程序调 度其他进程占据CPU。 ③输入设备不断地挪用CPU工作周期,将数据寄存器中 的数据源源不断地写入内存,直到所要求的字节全部 传送完毕。 ④DMA控制器在传送字节数完成时,通过中断请求线发 出中断信号,CPU收到中断信号后转中断处理程序,唤 醒等待输入完成的进程,并返回被中断的程序。 ⑤在以后的某个时刻,进程调度程序选中提出请求输入 的进程,该进程从指定的内存始址取出数据做进一步 处理。
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进程管理 12
Linux0.11/boot/setup.s
mov al,#0x11 out #0x20,al mov al,#0x20 out #0x21,al mov al,#0x28 out #0xA1,al …… in al,#0x64
! initialization sequence ! send it to 8259A-1 ! start of hardware int's(0x20) ! start of hardware int's(0x28)
22
程序循环检测方式
– 适配器的形式通常是印刷电路卡，可以 插入到主板的扩充槽中；控制器的形式 是一组芯片； – 完成设备与主机间的连接和通讯。
进程管理
9
4.1.3 I/O地址
控 制 逻 辑 电 路 控制寄存器 状态寄存器 数据寄存器
CPU
外 部 设 备
每个设备控制器都有一些寄存器用来与CPU通信。通 过往这些寄存器中写入不同的值，OS能命令该设备去 执行发送数据、接收数据、打开、关闭等操作；OS也 能通过读取这些寄存器的值来了解设备的当前状态。 此外，许多控制器还有一个数据缓冲区供OS读写。
进程管理
如何让I/O设备工作？
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问题： CPU如何与设备控制器进行通信？这 不是普通的内存访问！
方法有三种： I/O独立编址； 内存映像编址； 混合编址。
进程管理 11
1. I/O独立编址
基本思路：给控制器中的每一个寄存器分配一个唯 一的I/O端口（I/O port）编号，称为I/O端口地址， 然后用专门的I/O指令对端口进行操作； 这些端口地址所构成的 地址空间是完全独立的， 与内存的地址空间没有 关系。例如： IN R0 [4] 表示读入I/O 端口地址为4的内容； MOV R0 [4] 表示读入 内存地址为4的内容；
进程管理
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编程方便，无需专门的I/O指令(C vs. 汇编)； 不能对控制寄存器的内容进行Cache，须关闭； 每一次都要判断访问的是内存还是I/O。
进程管理
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3. 混合编址
基本思路：对于设备控制器中的寄存器，采用独立 编址的方法；而对于设备的数据缓冲区，采用内存 映像编址的方法。
有了I/O设备，是否就能完成I/O 功能呢？
进程管理
7
4.1.2 设备控制器
机械部分
电子部分
一个I/O单元由两部分组成：机械部分和电子部分（ 设备控制器或适配器）。
进程管理 8
机械部分即为I/O设备本身；
电子部分称为：设备控制器（device controller）或适配器（adapter）。
☺ 装一勺饭菜，喂到宝宝嘴里 ☺ 重复上述步骤
进程管理
20
基本思路：在程序（设备驱动程序）中通过不断地 检测I/O设备的当前状态，来控制I/O操作的完成。 具体来说，在进行I/O操作之前，要循环地检测设 备是否就绪；在I/O操作进行之中，要循环地检测 设备是否已完成。从硬件来说，控制I/O的所有工 作均由CPU来完成。 也称为繁忙等待方式（busy waiting）或轮询方式 （polling）。 1.I/O控制与I/O操作 2.缺点...
进程管理
18
4.2 I/O控制方式
程序循环检测方式(Programmed I/O) 中断驱动方式(Interrupt-driven I/O) 直接内存访问方式(DMA, Direct Memory Access)
进程管理
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4.2.1 程序循环检测方式
小宝宝在家吃饭
☺ 如果宝宝的嘴巴没空（如上一口饭 菜尚未吃完），循环等待
操作系统
Operating Systems 谌卫军 清华大学软件学院
第四章 I/O设备管理
1. I/O硬件
2. I/O控制方式
3. I/O软件
4. 磁盘
进程管理
2
I/O（Input / Output）设备
在现代计算机系统中，有大量的输入输 出设备，其种类繁多，差异大。而且随着技 术的发展，新设备也不断地出现。因此，如 何管理好这些设备，使资源得以合理的利用， 是操作系统的一个主要功能。
进程管理
16
PC机上的部分I/O端口地址
（本图摘自Silberschatz, Galvin and Gagne： “Operating System Concepts”）
进程管理 17
到目前为止，已经介绍了I/O设备的类型、 设备的控制器、I/O的端口地址。现在的 问题是：根据已有的这些知识，现在能否 开始编程使用这些I/O设备，完成相应的输 入输出功能呢？
- 输出设备：显示器、打印机；
- 输入/输出：磁盘、网卡。
进程管理
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按数据组织分类：
- 块设备：以数据块作为信息的存储和传 输单位，每个数据块都有一个地址，数 据块之间的读写操作是相互独立的，如 磁盘； - 字符设备：以字符作为信息存储和传输 单位，数据即字符流，无定位无寻址， 如鼠标；
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! 8042 status port ! 键盘控制器状态寄存器
test al,#2
jnz empty_8042 ! is input buffer full?
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2. 内存映像编址
基本思路：把所有控制器当中的每一个寄存器都映 射为一个内存地址，专门用于I/O操作（功能上）， 对这些单元的读写操作即为普通的内存访问操作。 端口地址空间与内存的地址空间统一编址，前者是 后者的一部分，一般位于后者的顶端部分。
进程管理
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4.1 I/O硬件
对于I/O硬件，操作系统所关心的并不是
硬件自身的设计、制造和维护，而是如何来
对它进行编程，即该设备给软件提供的接口
是什么，包括它所接受的控制命令、所完成
的功能，以及所返回的出错报告。
进程管理
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4.1.1
I/O设备的类型
按交互方向分类：
- 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪；
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一个例子
已知I/O地址采用内存映像编址的方式，现需要 在打印机上打印一个字符串“ABCDEFGH”。 基本思路：把这8个字符逐个送到打印机设备的 I/O端口地址（内存地址）。
printer_status_reg printer_data_register
…pຫໍສະໝຸດ ABCD EFGH 内存进程管理
Linux0.11/boot/setup.s
mov al,#0x11 out #0x20,al mov al,#0x20 out #0x21,al mov al,#0x28 out #0xA1,al …… in al,#0x64
! initialization sequence ! send it to 8259A-1 ! start of hardware int's(0x20) ! start of hardware int's(0x28)
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程序循环检测方式
– 适配器的形式通常是印刷电路卡，可以 插入到主板的扩充槽中；控制器的形式 是一组芯片； – 完成设备与主机间的连接和通讯。
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4.1.3 I/O地址
控 制 逻 辑 电 路 控制寄存器 状态寄存器 数据寄存器
CPU
外 部 设 备
每个设备控制器都有一些寄存器用来与CPU通信。通 过往这些寄存器中写入不同的值，OS能命令该设备去 执行发送数据、接收数据、打开、关闭等操作；OS也 能通过读取这些寄存器的值来了解设备的当前状态。 此外，许多控制器还有一个数据缓冲区供OS读写。
进程管理
如何让I/O设备工作？
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问题： CPU如何与设备控制器进行通信？这 不是普通的内存访问！
方法有三种： I/O独立编址； 内存映像编址； 混合编址。
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1. I/O独立编址
基本思路：给控制器中的每一个寄存器分配一个唯 一的I/O端口（I/O port）编号，称为I/O端口地址， 然后用专门的I/O指令对端口进行操作； 这些端口地址所构成的 地址空间是完全独立的， 与内存的地址空间没有 关系。例如： IN R0 [4] 表示读入I/O 端口地址为4的内容； MOV R0 [4] 表示读入 内存地址为4的内容；
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编程方便，无需专门的I/O指令(C vs. 汇编)； 不能对控制寄存器的内容进行Cache，须关闭； 每一次都要判断访问的是内存还是I/O。
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3. 混合编址
基本思路：对于设备控制器中的寄存器，采用独立 编址的方法；而对于设备的数据缓冲区，采用内存 映像编址的方法。
有了I/O设备，是否就能完成I/O 功能呢？
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4.1.2 设备控制器
机械部分
电子部分
一个I/O单元由两部分组成：机械部分和电子部分（ 设备控制器或适配器）。
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机械部分即为I/O设备本身；
电子部分称为：设备控制器（device controller）或适配器（adapter）。
☺ 装一勺饭菜，喂到宝宝嘴里 ☺ 重复上述步骤
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基本思路：在程序（设备驱动程序）中通过不断地 检测I/O设备的当前状态，来控制I/O操作的完成。 具体来说，在进行I/O操作之前，要循环地检测设 备是否就绪；在I/O操作进行之中，要循环地检测 设备是否已完成。从硬件来说，控制I/O的所有工 作均由CPU来完成。 也称为繁忙等待方式（busy waiting）或轮询方式 （polling）。 1.I/O控制与I/O操作 2.缺点...
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4.2 I/O控制方式
程序循环检测方式(Programmed I/O) 中断驱动方式(Interrupt-driven I/O) 直接内存访问方式(DMA, Direct Memory Access)
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4.2.1 程序循环检测方式
小宝宝在家吃饭
☺ 如果宝宝的嘴巴没空（如上一口饭 菜尚未吃完），循环等待
操作系统
Operating Systems 谌卫军 清华大学软件学院
第四章 I/O设备管理
1. I/O硬件
2. I/O控制方式
3. I/O软件
4. 磁盘
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I/O（Input / Output）设备
在现代计算机系统中，有大量的输入输 出设备，其种类繁多，差异大。而且随着技 术的发展，新设备也不断地出现。因此，如 何管理好这些设备，使资源得以合理的利用， 是操作系统的一个主要功能。
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PC机上的部分I/O端口地址
（本图摘自Silberschatz, Galvin and Gagne： “Operating System Concepts”）
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到目前为止，已经介绍了I/O设备的类型、 设备的控制器、I/O的端口地址。现在的 问题是：根据已有的这些知识，现在能否 开始编程使用这些I/O设备，完成相应的输 入输出功能呢？
- 输出设备：显示器、打印机；
- 输入/输出：磁盘、网卡。
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按数据组织分类：
- 块设备：以数据块作为信息的存储和传 输单位，每个数据块都有一个地址，数 据块之间的读写操作是相互独立的，如 磁盘； - 字符设备：以字符作为信息存储和传输 单位，数据即字符流，无定位无寻址， 如鼠标；
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! 8042 status port ! 键盘控制器状态寄存器
test al,#2
jnz empty_8042 ! is input buffer full?
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2. 内存映像编址
基本思路：把所有控制器当中的每一个寄存器都映 射为一个内存地址，专门用于I/O操作（功能上）， 对这些单元的读写操作即为普通的内存访问操作。 端口地址空间与内存的地址空间统一编址，前者是 后者的一部分，一般位于后者的顶端部分。
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4.1 I/O硬件
对于I/O硬件，操作系统所关心的并不是
硬件自身的设计、制造和维护，而是如何来
对它进行编程，即该设备给软件提供的接口
是什么，包括它所接受的控制命令、所完成
的功能，以及所返回的出错报告。
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4.1.1
I/O设备的类型
按交互方向分类：
- 输入设备：键盘、鼠标、扫描仪；
进程管理 21
一个例子
已知I/O地址采用内存映像编址的方式，现需要 在打印机上打印一个字符串“ABCDEFGH”。 基本思路：把这8个字符逐个送到打印机设备的 I/O端口地址（内存地址）。
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…pຫໍສະໝຸດ ABCD EFGH 内存进程管理