操作系统设计与实现教材
《操作系统》课程教案
《操作系统》课程教案第一章：操作系统概述1.1 教学目标了解操作系统的定义、功能和作用掌握操作系统的基本组成和分类理解操作系统的历史和发展1.2 教学内容操作系统的定义和作用操作系统的组成：内核、shell、文件系统、设备驱动程序操作系统的分类：批处理系统、分时系统、实时系统、分布式系统操作系统的历史和发展1.3 教学方法采用讲授法，介绍操作系统的概念和发展历程通过实例分析，让学生了解操作系统的组成和作用开展小组讨论，比较不同类型的操作系统1.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：操作系统的定义、功能、组成和分类实例：Windows、Linux、macOS等操作系统的特点1.5 教学评估课堂问答：了解学生对操作系统的概念和组成的掌握情况小组讨论：评估学生对不同类型操作系统的理解和分析能力课后作业：巩固学生对操作系统知识的学习第二章：进程管理2.1 教学目标了解进程的定义和作用掌握进程管理的基本方法和策略理解进程同步和互斥的概念2.2 教学内容进程的定义和作用进程管理的基本方法：进程调度、进程同步、进程互斥进程同步和互斥的实现：信号量、管程、事件等2.3 教学方法采用讲授法，介绍进程的定义和作用通过实例分析，让学生了解进程管理的方法和策略开展小组讨论，探讨进程同步和互斥的实现方式2.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：进程的定义、进程管理的方法和策略、进程同步和互斥的概念实例：进程调度算法、信号量的使用2.5 教学评估课堂问答：了解学生对进程的定义和作用的掌握情况小组讨论：评估学生对进程管理方法和策略的理解能力课后作业：巩固学生对进程同步和互斥知识的学习第三章：内存管理3.1 教学目标了解内存的定义和作用掌握内存管理的基本方法和策略理解内存分配和回收的原则3.2 教学内容内存的定义和作用内存管理的基本方法：分页、分段、虚拟内存内存分配和回收的原则：首次适应法、最佳适应法、最坏适应法3.3 教学方法采用讲授法，介绍内存的定义和作用通过实例分析，让学生了解内存管理的方法和策略开展小组讨论，探讨内存分配和回收的原则3.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：内存的定义、内存管理的方法和策略、内存分配和回收的原则实例：分页算法、分段算法、虚拟内存的实现3.5 教学评估课堂问答：了解学生对内存的定义和作用的掌握情况小组讨论：评估学生对内存管理方法和策略的理解能力课后作业：巩固学生对内存分配和回收知识的学习第四章：文件管理4.1 教学目标了解文件的定义和作用掌握文件管理的基本方法和策略理解文件系统的结构和组织方式4.2 教学内容文件的定义和作用文件管理的基本方法：文件的创建、删除、打开、关闭等文件系统的结构和组织方式：目录结构、文件存储方式、文件访问控制4.3 教学方法采用讲授法，介绍文件的定义和作用通过实例分析，让学生了解文件管理的方法和策略开展小组讨论，探讨文件系统的结构和组织方式4.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：文件的定义、文件管理的方法和策略、文件系统的结构和组织方式实例：Linux、Windows等操作系统中的文件管理4.5 教学评估课堂问答：了解学生对文件的定义和作用的掌握情况小组讨论：评估学生对文件管理方法和策略的理解能力课后作业：巩固学生对文件系统结构和组织方式知识的学习第五章：设备管理5.1 教学目标了解设备的定义和作用掌握设备管理的基本方法和策略理解设备驱动程序第六章：设备管理（续）5.2 教学内容设备驱动程序：概念、作用和实现方式设备管理的基本方法：设备分配、设备请求调度、设备控制设备管理的高级主题：I/O中断处理、DMA传输、虚拟设备5.3 教学方法采用讲授法，介绍设备驱动程序的概念和作用通过实例分析，让学生了解设备管理的方法和策略开展小组讨论，探讨设备管理的高级主题5.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：设备驱动程序的概念、设备管理的方法和策略、设备管理的高级主题实例：硬盘驱动程序、打印机驱动程序、I/O中断处理5.5 教学评估课堂问答：了解学生对设备驱动程序的定义和作用的掌握情况小组讨论：评估学生对设备管理方法和策略的理解能力课后作业：巩固学生对设备管理高级主题知识的学习第七章：操作系统用户界面7.1 教学目标了解操作系统的用户界面的定义和作用掌握操作系统用户界面的基本设计和实现方法理解图形用户界面(GUI)和命令行用户界面(CLI)的差异和优缺点7.2 教学内容用户界面的定义和作用用户界面的基本设计原则：用户友好性、易用性、可访问性GUI和CLI的设计和实现方法：窗口管理、事件处理、命令解析7.3 教学方法采用讲授法，介绍用户界面的定义和作用通过实例分析，让学生了解用户界面的设计和实现方法开展小组讨论，探讨GUI和CLI的差异和优缺点7.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：用户界面的定义、用户界面的设计和实现方法、GUI和CLI的差异和优缺点实例：Windows操作系统、Linux终端、macOS的Finder7.5 教学评估课堂问答：了解学生对操作系统用户界面的定义和作用的掌握情况小组讨论：评估学生对用户界面设计和实现方法的理解能力课后作业：巩固学生对GUI和CLI差异和优缺点知识的学习第八章：操作系统安全8.1 教学目标了解操作系统安全的定义和重要性掌握操作系统安全的基本机制和策略理解操作系统的安全威胁和防护措施8.2 教学内容操作系统安全的定义和重要性安全机制：访问控制、身份验证、加密、审计安全策略：最小权限原则、安全分层模型、安全内核常见安全威胁：恶意软件、漏洞攻击、social engineering防护措施：防火墙、入侵检测系统、安全更新8.3 教学方法采用讲授法，介绍操作系统安全的定义和重要性通过实例分析，让学生了解安全机制和策略开展小组讨论，探讨安全威胁和防护措施8.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：操作系统安全的定义、安全机制和策略、安全威胁和防护措施实例：操作系统安全漏洞案例分析、安全防护工具的使用8.5 教学评估课堂问答：了解学生对操作系统安全的定义和重要性的掌握情况小组讨论：评估学生对安全机制和策略的理解能力课后作业：巩固学生对操作系统的安全威胁和防护措施知识的学习第九章：操作系统性能分析9.1 教学目标了解操作系统性能的定义和重要性掌握操作系统性能分析的基本方法和工具理解操作系统性能优化和调优的策略9.2 教学内容操作系统性能的定义和重要性性能分析方法：基准测试、模拟、监控和分析工具性能评价指标：响应时间、吞吐量、资源利用率性能优化策略：进程调度优化、内存管理优化、文件系统优化9.3 教学方法采用讲授法，介绍操作系统性能的定义和重要性通过实例分析，让学生了解性能分析方法和工具开展小组讨论，探讨性能优化和调优的策略9.4 教学资源教材：《操作系统原理与应用》课件：操作系统性能的定义、性能分析方法和工具、性能优化和调优的策略实例：操作系统性能监控工具（如top, vmstat）的使用、性能优化的案例分析重点和难点解析1. 操作系统的定义和作用：理解操作系统作为计算机系统核心组件的基本概念，以及它在资源管理、程序执行和用户界面方面的关键作用。
《操作系统》课程大纲
《操作系统》课程大纲操作系统课程大纲一、引言操作系统的定义与作用操作系统的发展历程二、操作系统基本概念1. 操作系统的定义和功能2. 操作系统的组成和体系结构3. 进程和线程4. 内存管理5. 文件系统三、操作系统的进程管理1. 进程管理的基本概念2. 进程的状态与转换3. 进程的调度算法4. 进程同步与通信5. 死锁的预防与解决四、存储管理1. 存储管理的基本概念2. 内存管理的组织与分配3. 虚拟内存管理4. 页面置换算法与性能优化五、文件系统与输入/输出管理1. 文件系统的基本概念2. 文件的逻辑与物理结构3. 文件系统的实现与优化4. 输入/输出系统的基本概念与管理六、操作系统安全与保护1. 操作系统安全的基本概念2. 访问控制与身份认证3. 安全漏洞与攻击方式4. 操作系统的保护机制与方法七、实验与案例分析1. 实验一：进程调度算法模拟2. 实验二：页面置换算法模拟3. 案例分析一：操作系统的可扩展性设计4. 案例分析二：操作系统的实时性保障八、教材与参考资料推荐1. 操作系统教材推荐2. 相关研究论文和经典著作推荐九、课程总结与展望1. 本课程的重点知识与技能总结2. 操作系统领域发展趋势展望通过本课程的学习，学生将全面掌握操作系统的基本概念、原理和技术，具备操作系统设计与实现的能力。
同时，通过实验和案例分析，学生将加深对操作系统理论的理解，并培养实际问题解决的能力。
通过本课程的学习，学生将为进一步研究操作系统提供必要的基础。
操作系统是计算机科学与技术专业的重要基础课程，也是计算机领域其他专业课程的重要基础。
通过本课程的学习，学生将为进一步学习相关专业课程奠定基础，提高专业素养。
备注：以上课程大纲仅供参考，实际教学内容可以根据具体情况进行调整和补充。
操作系统课程设计
操作系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解操作系统的基本概念、功能、类型和结构，掌握操作系统的五大核心功能模块（处理器管理、存储器管理、设备管理、文件管理、用户接口）；2. 掌握操作系统的发展历程、主要操作系统（如Windows、Linux、Mac OS）的特点及应用场景；3. 了解操作系统的设计与实现原理，包括进程管理、内存管理、设备管理、文件系统等关键技术；4. 学会使用操作系统提供的命令行或图形界面进行基本的系统操作与维护。
技能目标：1. 培养学生对操作系统的实际操作能力，能够熟练使用至少一种操作系统进行日常管理与维护；2. 培养学生运用操作系统原理解决实际问题的能力，如分析系统性能、诊断故障、优化配置等；3. 提高学生的编程能力，使其能够编写简单的系统程序或脚本，实现特定功能。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统的兴趣，激发学生学习计算机科学的热情；2. 培养学生的团队合作意识，使其在讨论、分析、解决问题的过程中学会倾听、交流、协作；3. 培养学生具备良好的信息素养，关注操作系统领域的最新发展，增强信息安全意识。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业（或相关领域）的必修课，具有较强的理论性和实践性。
学生特点：学生已具备一定的计算机基础知识，具有较强的学习兴趣和动手能力，但可能对操作系统原理的理解和应用尚有不足。
教学要求：注重理论与实践相结合，以案例驱动、任务导向的方式进行教学，注重培养学生的实际操作能力和问题解决能力。
通过本课程的学习，使学生能够掌握操作系统的基本原理，提高实际应用水平，为后续专业课程学习打下坚实基础。
二、教学内容1. 操作系统概述：介绍操作系统的基本概念、功能、类型，比较不同操作系统的特点，分析操作系统的发展趋势。
教材章节：第一章 操作系统概述2. 进程与线程管理：讲解进程与线程的概念、状态与转换，进程调度算法，同步与互斥，死锁与饥饿问题。
教材章节：第二章 进程管理3. 存储管理：介绍内存分配与回收策略，虚拟内存技术，页面置换算法，内存保护机制。
《操作系统》课程设计
《操作系统》课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握操作系统的基本概念，包括进程、线程、内存管理、文件系统等核心知识；2. 了解操作系统的历史发展，掌握不同类型操作系统的特点及使用场景；3. 掌握操作系统的性能评价方法和常用的调度算法。
技能目标：1. 培养学生运用操作系统知识解决实际问题的能力，如分析系统性能瓶颈、优化系统资源分配等；2. 培养学生具备基本的操作系统编程能力，如进程创建、线程同步、文件操作等；3. 提高学生的团队协作能力和沟通能力，通过小组讨论和项目实践，学会共同解决问题。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对操作系统学科的兴趣，激发学生的学习热情，使其形成积极向上的学习态度；2. 培养学生具备良好的信息素养，尊重知识产权，遵循法律法规；3. 培养学生的创新精神和批判性思维，敢于质疑、勇于探索，形成独立思考的能力。
课程性质：本课程为计算机科学与技术专业的核心课程，旨在让学生掌握操作系统的基本原理和实现方法，提高学生的系统分析和编程能力。
学生特点：学生具备一定的编程基础和计算机系统知识，具有较强的逻辑思维能力和动手实践能力。
教学要求：结合学生特点和课程性质，注重理论与实践相结合，通过案例分析和项目实践，帮助学生将所学知识内化为具体的学习成果。
在教学过程中，关注学生的学习进度和反馈，及时调整教学策略，确保课程目标的实现。
二、教学内容1. 操作系统概述：介绍操作系统的定义、发展历程、功能、类型及特点，对应教材第一章内容。
- 操作系统的起源与发展- 操作系统的功能与类型- 操作系统的主要特点2. 进程与线程：讲解进程与线程的概念、状态、调度算法，对应教材第二章内容。
- 进程与线程的定义与区别- 进程状态与转换- 进程调度算法3. 内存管理：分析内存管理的基本原理、策略和技术，对应教材第三章内容。
- 内存分配与回收策略- 虚拟内存技术- 页面置换算法4. 文件系统：介绍文件系统的基本概念、结构、存储原理，对应教材第四章内容。
初学计算机书籍
初学计算机书籍初学计算机书籍在学习计算机的过程中起到了重要的指导作用。
下面将介绍几本初学计算机的优秀书籍，帮助初学者快速入门并建立起坚实的计算机基础。
1.《计算机科学导论》《计算机科学导论》是一本系统介绍计算机科学基础知识的书籍。
它从计算机的起源、发展历程、基本原理等方面进行了阐述，使读者对计算机的整体概念有了清晰的认识。
此书注重概念的讲解，避免了过多的公式和技术细节，适合初学者阅读。
2.《计算机网络》《计算机网络》是一本权威的计算机网络教材，它系统地介绍了计算机网络的基本概念、协议、技术等内容。
该书通过丰富的案例和实践，帮助读者理解网络通信的原理和技术细节。
初学者可以通过阅读此书，掌握计算机网络的基本知识，为后续的网络应用开发打下坚实的基础。
3.《数据结构与算法》《数据结构与算法》是一本经典的计算机教材，它介绍了数据结构和算法的基本概念、原理和应用。
该书通过大量的例子和实践，帮助读者理解和掌握各种数据结构和算法的实现方式和应用场景。
初学者可以通过学习此书，提高编程能力，培养解决实际问题的能力。
4.《操作系统原理》《操作系统原理》是一本介绍操作系统原理和设计的教材，它详细讲解了操作系统的各个组成部分、功能和实现原理。
该书通过实例和实践，帮助读者理解操作系统的工作原理和实际应用。
初学者可以通过学习此书，深入了解操作系统的工作机制，为后续的系统开发和应用提供基础知识。
5.《计算机组成与设计》《计算机组成与设计》是一本介绍计算机硬件组成和设计原理的教材。
它详细讲解了计算机的各个硬件部件的功能和实现方式，以及计算机的工作原理和设计方法。
该书通过实例和实践，帮助读者理解计算机的内部结构和工作原理。
初学者可以通过学习此书，掌握计算机硬件的基本知识，为后续的硬件设计和开发提供基础。
以上书籍都是初学者入门计算机不可或缺的优秀书籍。
通过阅读这些书籍，初学者可以建立起扎实的计算机基础，为后续的学习和实践打下坚实的基础。
计算机经典教材
1前言。
2Mathematics(数学)。
3DataStructures&Algorithms(数据结构、算法)。
4Compiler(编译原理)。
5OperatingSystem(操作系统)。
6Database(数据库)。
7C(C语言)。
8C++(C++语言)。
9Object-Oriented(面向对象)。
10SoftwareEngineering(软件工程)。
11UNIXProgramming(UNIX编程)。
12UNIXAdministration(UNIX系统管理)。
13Networks(网络)。
14WindowsProgramming(Windows编程)。
15Other(*)。
Mathematics(数学)。
书名（英文）：DiscreteMathematicsandItsApplications(FifthEdition)。
书名（中文）：离散数学及其应用(第五版)。
原作者：KennethH.Rosen。
书名（英文）：ConcreteMathematics:AFoundationforComputerScience(SecondEdition)。
书名（中文）：具体数学：计算机科学基础(第2版)。
原作者：RonaldL.Graham/DonaldE.Knuth/OrenPatashnik。
DataStructures&Algorithms(数据结构、算法)。
书名（英文）：DataStructuresandAlgorithmAnalysisinC,SecondEdition。
书名（中文）：数据结构与算法分析--C语言描述(第二版)。
原作者：MarkAllenWeiss。
书名（英文）：DataStructures&ProgramDesignInC(SecondEdition)。
书名（中文）：数据结构与程序设计C语言描述(第二版)。
原作者：RobertKruse/C.L.Tondo/BruceLeung。
《操作系统》课程设计说明书
河南城建学院《操作系统》课程设计说明书设计题目：UNIX/Linux文件系统分析专业：计算机科学与技术指导教师：邵国金耿永军陈红军班级：0614082学号：061408261姓名：贠炳森同组人：叶矿辉、陈宇计算机科学与工程系2011年1月7日前言在现在计算机更新如此迅速的时代要学好计算机软件技术，特别是操作系统的学习，不仅要努力学好课本上的基础知识，还要经常在图书馆看些有关这方面的书籍，而更重要的是要有足够的实践经验，也要注重和同学的交流，经常尝试性的做些小的操作系统，对自己技术的提升会有很大的帮助。
同时，学习计算机操作系统技术，除了需要刻苦努力外，还需要掌握软件和操作系统的原理与设计技巧。
如何学习和掌握操作系统技术的原理与实际技巧呢?除了听课和读书之外，最好的方法恐怕就是在实践中练习。
例如，自己设计一个小型操作系统，多使用操作系统，多阅读和分析操作源代码等。
但由于我们的条件和学时有限，在理论学习过程中没有给同学们提供更多的实验机会。
本操作系统课程设计，是给同学提供一个集中实验的机会。
希望同学们通过该设计加深对所学习课程的理解。
本设计是基于课程中学到的UNIX系统调用，使用操作系统环境是Red Hat Linux 9，言语开发环境是Linux的GNU C或C++。
我做的课程设计是：Linux/Unix文件系统分析。
在Linux系统下，使用与文件相关的系统调用实现对物理设备文件的读写，参照Linux系统源代码以及Grub 系统的源代码，对不同介质上的FAT格式文件系统进行分析。
要求在Linux环境下设计出C语言程序，实现以下功能：1)分析UNIX SysV/Linux系统引导记录的作用;2)分析UNIX SysV/Linux的超级块及其结构，并建立相关数据结构，通过编程实现UNIX SysV/Linux文件系统内各部分的定位。
3)至少要实现对给定i节点文件的只读访问目录一．系统环境 (3)1.1硬件环境 (3)1.2软件环境 (3)二．设计目的及要求 (3)三．总体设计 (5)四．详细设计 (6)五．调试与测试 (6)六．设计中遇到的问题及解决方法 (6)七．Linux/Unix文件系统分析源程序清单 (7)7.1 头文件 (7)7.2 示例程序 (10)八．运行结果及分析 (16)8.1 linux文件系统读取 (16)8.2 UNIX文件系统读取 (18)九．心得体会 (19)十．参考文献 (20)Linux/Unix文件系统分析一．系统环境1.1硬件环境cpu为pentium4双线程技术，频率为2.8GHZ，内存为256MB。
操作系统课程设计pintos
操作系统课程设计pintos一、教学目标本课程的目标是让学生了解和掌握操作系统的基本原理和概念，通过学习Pintos操作系统，使学生能够理解操作系统的核心机制，包括进程管理、内存管理、文件系统和输入/输出系统等。
在技能方面，学生应能够使用Pintos进行简单的操作系统设计和实现，提升编程能力和系统分析能力。
在情感态度价值观方面，学生应培养对计算机科学和操作系统的兴趣，增强解决实际问题的责任感和使命感。
二、教学内容教学内容将按照Pintos操作系统的结构和功能进行，包括：1. 操作系统的概述和基本概念；2. 进程管理，包括进程的创建、调度和同步；3. 内存管理，包括物理内存管理和虚拟内存管理；4. 文件系统，包括文件和目录的、文件系统的实现；5. 输入/输出系统，包括设备驱动程序和中断处理。
三、教学方法为了激发学生的学习兴趣和主动性，将采用多种教学方法，包括：1. 讲授法，用于讲解操作系统的原理和概念；2. 讨论法，用于讨论操作系统的实现和应用；3. 案例分析法，通过分析具体的操作系统案例，让学生理解操作系统的实际应用；4. 实验法，通过实验操作，让学生亲手实现操作系统的核心机制。
四、教学资源教学资源包括：1. Pintos操作系统的教材和相关参考书；2. 多媒体资料，包括操作系统的教学视频和PPT；3. 实验设备，包括计算机和相关的硬件设备。
这些教学资源将用于支持教学内容和教学方法的实施，丰富学生的学习体验。
五、教学评估教学评估将采用多种方式进行，以全面、客观、公正地评价学生的学习成果。
评估方式包括：1. 平时表现，包括课堂参与、提问和讨论等，占总评的20%；2.作业，包括理论和实践作业，占总评的30%；3. 考试，包括期中考试和期末考试，占总评的50%。
考试内容将涵盖操作系统的原理、概念和实验操作。
六、教学安排教学安排将根据课程内容和学生的实际情况进行设计。
本课程计划在一个学期内完成，每周安排2次课时，每次课时1小时。
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操作系统课程讲义
设备管理概述
I/O设备管理系统结构图
上层用户程序（应用层） 操作系统 I/O软件管理 I/O硬件管理
底层硬件设备（物理层）
键盘
用户进程 设备无关程序 设备驱动程序 中断处理程序
设备 控制器
状态寄存器
命令寄存器
数据寄存器
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O设备的特点分析
❖操作系统需要管理的最复杂的资源——I/O设备
➢ 设备接口的方便性、友好性、透明性、设备无关性
❖ 利用各种技术，提高I/O设备的运行效率
➢ 设备与CPU之间、设备之间的并行
➢ 设备负载的均衡：保持设备的充分忙碌
❖ 实现对I/O设备的管理和保护
➢ 设备的分配与回收：针对独占设备和共享设备，实现合理的资源分配
➢ 设备的数据保护：不同设备之间的保护、设备内部的保护
操作系统课程讲义
I/O硬件管理
DMA工作方式的深入分析
❖ DMA内部结构的差异
➢ 单路I/O连接：DMA中只有一组寄存器，只能连接一个I/O设备 ➢ 多路I/O连接：DMA中有多组寄存器，可同时连接多个I/O设备 ➢ 多路I/O连接模式下，DMA内部也需要进行适当的调度（轮转、优先级）
❖ DMA工作方式的差异
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O端口的内存映射编址方式
❖I/O端口地址空间和内存地址空间统一编址
➢ I/O端口地址也被作为物理地址空间的一部分进行存储管理 ➢ CPU访问地址空间时，将对地址空间的范围进行判断，然后选择读取
内存空间或者访问I/O端口
❖内存映射编址的优缺点分析
➢ 优点1：使得技术实现手段更加方便，可用C语言编写驱动程序 ➢ 优点2：不需要对I/O地址空间进行特殊保护，只需要利用现有的存
➢ I/O设备种类繁多，工作模式各不相同 ➢ I/O设备数据多样，处理方式各不相同 ➢ I/O设备性能参差，运行控制多种多样
❖最容易成为计算机系统的瓶颈——I/O设备
➢ 很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大 ➢ 进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈 ➢ I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
中断控制I/O的工作流程
❖ “打印服务程序”只将最开始的数据传送至打印机端口，然后阻塞 ❖ CPU可继续调度其他进程运行，不浪费CPU时间 ❖ 一旦打印缓冲区空后，打印机端口发出硬件中断 ❖ CPU响应中断，恢复“打印服务程序”运行，继续传送数据 ❖ 缺点：虽然节省了CPU资源，但是中断响应也消耗较大的系统资源
❖I/O设备接口的工作方式
➢ 设置命令寄存器和状态寄存器：CPU通过总线与I/O接口通信 ➢ I/O设备与CPU并行工作：控制器根据指令完成相应I/O操作 ➢ 通过中断向CPU发出信号：工作完成后通过硬件中断通知CPU
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O设备接口的工作流程（续）
❖IBM PC的软盘控制器
➢ 可接受15条指令：READ、WRITE、SEEK、FORMAT等 ➢ 各条指令均可带参数，指令和相关参数均被设置到接口寄存器中
➢ 位串行工作机制：驱动器提供“位流”，控制器负责在缓冲区中将其 组装为字节，并进行必要的校验和纠错
❖显示器的控制器
➢ 位串行工作机制：从显示缓冲区中读取可供显示的内容，而后产生用 来调制CRT电子束的信号
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O端口独立编址模式
❖ I/O地址与内存空间完全独立
➢ 使用专用的I/O指令对I/O端口进行操作
❖ 优缺点分析
➢ 优点1：I/O设备不占用内存地址空间，减少系统资源消耗
➢ 优点2：技术实现复杂度低，易于区分I/O地址和内存地址
➢ 缺点：由于地址空间独立、狭小，导致指令类型少，只能使用简单的汇编语言编程
操作系统课程讲义
《操作系统设计与实现》
第四章 I/O设备管理
主讲教师：史广顺
gsshi@ gsshi@
操作系统课程讲义
内容提要
内容提要
❖ I/O设备管理概述 ❖ I/O硬件原理与软件原理 ❖ 进程死锁 ❖ I/O设备管理实例剖析
储保护机制（例如分页式中的页表项设置）
➢ 优点3：使得I/O端口的指令更加灵活多样 ➢ 缺点1：内存映射方式中必须保证I/O端口的实时性（禁用高速缓存） ➢ 缺点2：对于双总线或者多总线结构而言，I/O端口的地址映射将比
较困难和麻烦
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O端口地址的映射与访问
混合方案中，内存 空间负责管理I/O 端口，I/O独立编 址部分属于数据缓 冲区。例如 Pentium就使用了 这种方式
器或缓冲区被称为一个I/O端口 ➢ I/O端口地址空间：实现对I/O接口寄存器/缓冲区的访问
❖I/O设备端口的编址方式
➢ I/O端口独立编址：与内存空间完全独立 ➢ 内存映射I/O地址：在内存空间中划分固定区域映射I/O端口
❖I/O地址空间的编址方式和使用差别
➢ 指令运行差别：访问的地址空间不同 ➢ 系统资源消耗：所需要的资源数不同 ➢ 优缺点权衡：总线规格、地址信息传输与过滤、系统性能等因素
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
系统总线对I/O端口编址的影响
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
系统总线对I/O端口编址的影响
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O设备的控制方式
❖ 程序控制I/O（轮询或忙等待模式）
➢ CPU直接与I/O设备进行通信，负责将用户数据传送到I/O端口 ➢ 用户程序通过系统调用来使用I/O设备 ➢ CPU需要不断查询I/O设备的端口状态，性能较低
6
操作系统课程讲义
I/O硬件管理
I/O管理的任务和目标
❖ 根据用户请求，控制各类I/O设备实现用户的目标
➢ 控制设备操作，实现设备与内存的数据交换
➢ 设备的分配与回收、设备驱动程序、设备中断管理、各类缓冲区管理等
❖ 向用户提供方便的I/O设备接口，屏蔽底层硬件细节差别
➢ 虚拟机——逻辑设备的作用：用户能够简单方便的使用I/O设备
❖设备控制器的工作方式
➢ 常以板卡的形式与主板的总线插槽连接 ➢ 通过设备的接口寄存器、缓冲区与CPU进行通信
❖设备控制器的工作内容
➢ 地址译码：实现对I/O地址空间的正确映射 ➢ 外部通信：接受或者发送数据/状态信号 ➢ 执行指令：将数字化指令转化为机械装置能够理解的模拟信号 ➢ 性能增强：实现内部硬件缓冲、完成数据加工等性能提升目标
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
DMA控制I/O的工作流程
❖ 用户进程发出系统调用后进入阻塞态，CPU直接设置DMA端口 ❖ CPU与DMA并行工作，DMA负责将用户数据传送给打印机 ❖ 当DMA完成所有工作后，向CPU发出中断，CPU响应后唤醒用户进程 ❖ 优点：只有一次中断、DMA与CPU并行提高了系统运行效率 ❖ 缺点：DMA速度较慢，如果CPU并不繁忙，那么DMA机制并无太大意23义
有存在频繁的多道程序并发的情况下，DMA才会体现与CPU并行的作用
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操作系统课程ห้องสมุดไป่ตู้义
I/O硬件管理
I/O通道机制的引入与实现
❖ I/O通道（Channel）的概念
➢ 如何以高速、高效的方式控制I/O设备，是I/O管理的重要问题 ➢ DMA速度很慢，而且结构简单，无法执行相对复杂的程序 ➢ 引入I/O通道（专门的处理机），可以运行由通道指令组成的通道程序
➢ DMA模式减少了中断次数，同时又集成了程序控制和中断控制的优点
❖ I/O通道机制
➢ DMA机制过于简单，有时未必能够提高与CPU并行效率 ➢ 为此专门增加了I/O处理机，专门负责I/O设备的控制和操作，与CPU并行工作
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操作系统课程讲义
I/O硬件管理
程序控制I/O的工作流程
❖ 由操作系统的“服务程序”负责将用户数据传送至打印机端口 ❖ 服务程序顺序传送打印数据，填满接口缓冲区后就等待（空循环） ❖ 每次循环中都检查接口缓冲区是否可用，一旦可用就继续传送数据 ❖ 数据传送完成后“服务程序”结束，用户进程继续运行 ❖ 缺点：靠CPU以“忙等待”的形式与打印机进行通信，浪费CPU资源
❖ I/O通道的工作方式和分类
➢ 分为字节多路通道、选择通道、成组多路通道三种 ➢ I/O通道采取“窃取总线周期”的方式实现对I/O设备的控制和数据传输 ➢ I/O通道就是一个小型的处理机，和CPU共享内存 ➢ I/O通道接到CPU的指令后即启动通道命令/程序，独立于CPU控制I/O设备工作
❖ I/O通道的结构组成
❖ DMA模式的权衡与分析
➢ DMA保存的地址信息：绝大多数情况下DMA保存的是物理地址，CPU负责将用户地 址转换为物理地址，然后将其设置到DMA中
➢ DMA的数据缓冲：DMA内部也会使用数据缓冲，这样会大大提高I/O通信效率 ➢ DMA的优劣分析：DMA比CPU慢好多，简单的应用环境中，用CPU要比DMA好；只
➢ 数据通信型设备：实现电子数据交换
❖ 按照数据的组织形式划分
➢ 块设备：以数据块为单位存储、传输数据
➢ 字符设备：以字节为单位存储、传输数据