操作系统原理 第8章输入输出设备管理综述

通用计算机组织结构 -- 具有全局总线和局部总线的PCI总线
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《计算机操作系统》- 第8章
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8.1.2 输入/输出设备

输入设备

将各种外部设备的信息送入到计算机

输出设备

将计算机内存中已经处理好的信息输出到外部 设备中

计算机输入/输出设备的种类和数量繁多， 按照应用和速度等的不同有不同的分类
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小型机和微机的输入/输出系统

小型机的总线组织结构：

ISA: 工业标准结构总线 EISA: 扩展工业标准结构 VESA: 32位标准的计算机局部总线 PCI: 外设组件互连标准



基于总线的组织结构: 形式简单，实现方便，性能可靠
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回顾：操作系统的功能

输入/输出设备管理：


输入/输出设备控制
缓冲管理 设备独立性 设备分配 虚拟设备
设备控制方式：
–程序控制方式 –中断方式 –直接存储器访问（DMA）方式 –通道方式
虚拟设备：SPOOLing 磁盘存储器管理
缓冲管理：
–单缓冲区 –双缓冲区 –循环缓冲
磁盘存储器管理：磁盘存储空间的划 分，磁盘存储空间的分配和回收。
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8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
输入/输出系统 设备控制器 输入/输出控制方式 缓冲管理 输入/输出软件 设备分配和回收
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8.1 输入/输出系统


输入/输出系统（发展） 输入/输出设备（分类）
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–缓冲池
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I/O设备管理概述
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）
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
DMA 命令寄存器
键盘
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《计算机操作系统》- 第8章
操作系统原理
Operating System Principles
四川大学计算机学院
段 磊 leiduan@scu.edu.cn
2014
第8章 输入/输出设备管理
设备管理是操作系统管理功能中最庞杂和琐 碎的部分。 设备管理的主要目标：


提高系统效率 为用户或高层应用提供方便的接口 支持设备共享

块设备



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按照设备的共享属性分类

独占设备

如：临界资源

共享设备

如：磁盘。

虚拟设备

本身固有属性为独占，但将其虚拟为几个逻辑 设备。
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按照设备的交互对象分类

人机交互设备

–双缓冲区 将一台独占的物理设备变为多个逻辑设备，从而能够接收多 个进程对设备的请求 –循环缓冲
–缓冲池

对设备状态进行跟踪和分配


实现虚拟设备 –单缓冲区


缓冲管理

虚拟设备：SPOOLing
实现低速的输入/输出设备与高速处理器之间的协调工作
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如：磁盘、网卡
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8.1.3 设备管理的功能

设备控制方式：
–程序、中断、DMA、通道
对设备的控制

将用户的输入/输出请求转换为每个设备能够识别的输入/输 出指令，并实施设备驱动和中断处理工作
跟踪设备的状态，保留在设备控制表中 根据作业或进程的请求而分配设备，并在作业或进程使用设 备结束后回收设备，重新分配 缓冲管理：
如：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机

与计算机或其他电子设备交互的设备

如：磁盘、磁带、传感器、控制器

计算机间的通信设备

如：网卡、调制解调器
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《计算机操作系统》- 第8章
Baidu Nhomakorabea
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按照设备的交互方向分类

输入（可读）

如：键盘、扫描仪

输出（可写）

如：显示设备、打印机

输入/输出（可读写）
以数据块的方式进行数据的输入和输出 传输速率较高，可寻址，DMA方式进行传输 磁盘,可定位

块设备



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按照设备的数据组织形式分类

字符设备


以字符方式进行数据的输入和输出 传输率较低，不可寻址，中断驱动方式传输 交互式终端、打印机
以数据块的方式进行数据的输入和输出 传输速率较高，可寻址，DMA方式进行传输 磁盘,可定位
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大型机输入/输出系统

大型机的组织结构：

主机Host
通道Channel


设备控制单元DCU
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大型机输入/输出系统

通过网络应用进行扩展

在通道和设备控
制单元之间增加
交换机，将一个
系统连接到多个 系统
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I/O设备管理概述
I/O请求 I/O响应
命名、保护、 阻塞、缓冲
用户I/O软件 设备无关软件
提供系统库 调用，供人 员使用；提 供类似 Spooling这 样的精灵守 护进程管理 共享设备
I/O软件体系结构
建立设备 寄存器、 解决错误
处理中 断信号
设备驱动程序 中断处理程序 底层硬件设备
《计算机操作系统》- 第8章 5/86
《计算机操作系统》- 第8章 13/86
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按照输入/输出设备的传输率分类
即按速度分：

低速设备

键盘、打印机 磁盘、监视器 网卡、调制解调器

中速设备


高速设备

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按照设备的数据组织形式分类

字符设备


以字符方式进行数据的输入和输出 传输率较低，不可寻址，中断驱动方式传输 交互式终端、打印机
传输率 数据组织形式 共享属性

设备管理的功能

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8.2 8.3 8.4 8.5 8.6
设备控制器 输入/输出控制方式 缓冲管理 输入/输出软件 设备分配和回收
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8.1.1 输入/输出系统

大型计算机的输入/输出系统

小型计算机和微型计算机的输入/输出系统