计算机操作系统原理知识点第七章
1. I/O控制方式：（由简到繁，由低级到高级）
a) 程序直接控制方式（查询方式）：是由用户进程直接控制内存和I/O设备之间的信
息传送。
b) 中断控制方式：
c) DMA控制方式
d) 通道控制方式
2. 设备管理应具备一下功能
a) 监视设备状态
一个计算机系统中存在许多设备，在系统运行期间他们完成各自的工作，处于
各种不同的状态。
b) 设备分配与回收
按照设备的类型（独享、共享或是虚拟）和系统中所采用的分配算法，实施设
备分配，即决定把一个设备分给哪个请求该类设备的进程使用。
c) 控制设备操作
用于控制设备操作的程序成为设备驱动程序。
d) 缓冲区管理
Cpu的执行速度很高，而设备的速度相对比较低，为了缓解cpu和设备之间的
速度不匹配，是计算机系统中的各部分充分并行，系统中一般设置有缓冲区，
用来暂时存放数据。
3. 缓冲技术
为了匹配设备与cpu之间的处理速度，减少数据传送过程的中断次数和cpu的中断处理
时间，也为了解决DMA或通道方式的瓶颈问题，现代操作系统在设备管理中引入了用
来暂存数据的缓冲技术，该技术的使用可明显的提高cpu和设备之间的并行程度，提高
系统的处理能力和设备的利用率。
缓冲技术的基本思想：在cpu和设备之间建立缓冲区，用于暂存cpu额设备之间交换的
数据，从而缓和cpu和设备速度不匹配所产生的矛盾。
缓冲技术包括：
a． 输入缓冲，是指在用户进程需要数据之前，操作系统已经把数据从设备读入到操作
系统缓存区中。
b． 输出缓冲，是指操作系统先把输出的数据写入系统缓存区，当进程继续运行时，操
作系统把数据送往设备输出。
4. Spooling概念
现代计算机系统支持多道程序执行，完全可以利用一组I/O程序模拟脱机I/O是外围控
制机的功能，实现把低速输入设备上的数据传送到高速磁盘上，或者把数据从磁盘上传
送到低速输出设备上。
这组I/O进程执行时，将设备启动起来后就放弃cpu使用权，让cpu转去执行使用其他
程序；当被启动的设备完成一项I/O任务时，I/O进程再开始处理。
在主机的直接控制下，实现了上述脱机的外围输入、输出功能，且此时的外围操作与
cpu处理的数据也是并发执行的，把这种在联机情况下实现的同时外围操作成为
SPOOLing（假脱机操作）。
5. 磁盘调度算法：
在一个磁盘请求列队中，请求分别设计的柱面顺序为；16,64,135,34,118,60,154,98，假设磁
头臂当前位置在柱面50.
a． 先来先服务算法（FCFS）
0 16 34 50 60 64 98 118 135 154 199
移动顺序 1 4 0 6 2 8 5 3 7
移动变量 34 101 58 48 56 84 71 94
移动总和
546
b． 最短寻到时间优先算法（SSTF）
0 16 34 50 60 64 98 118 135 154 199
移动顺序 4 3 0 1 2 5 6 7 8
移动变量 18 30 10 4 82 20 17 19
移动总和 200
c． 扫描算法（SCAN）；先左后右
0 16 34 50 60 64 98 118 135 154 199
移动顺序 3 2 1 0 4 5 6 7 8 9
移动变量 16 18 16 60 4 34 20 17 19
移动总和 204
d． 循环扫描算法
0 16 34 50 60 64 98 118 135 154 199
移动顺序 -7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7
移动变量 16 18 10 4 34 20 17 19 45
移动总和 138
学后自测：P182
6. 根据共享特性可将I/O设备分为几类？P158
a． 独享设备。是不能同时公用的设备，在一段时间内只能由一个进程独占。
b． 共享设备。允许多个进程同时使用，是一类操作速度较快的设备。
c． 虚拟设备。为提高设备的利用率，系统通过SPOOLing技术将独享设备改造为可共
享的设备。
7. 简述设备管理软件的层次结构及各层的主要功能
通常设备管理软件从高到低课分为以下4个层次：
a、 用户层I/O软件
功能：为用户程序提供了相应的库函数，便于用户进行系统调用。
b、 与设备无关的I/O软件
功能：1、给I/O设备命名，提供对设备驱动程序的统一接口。
2、设备保护，检查用户是否有权访问申请的设备
3、数据块的分配，提供与设备无关的块大小。
4、数据缓冲
5、对独享设备的分配与释放
6、错误处理
c、 设备驱动程序
其功能是从与设备无关的软件中接收抽象的请求并执行。主要包括以下几项：
1) 将抽象要求转换为具体要求，检查I/O请求的合法性
2) 读出和检查设备状态
3) 传送必要的参数，设置工作方式
4) 启动设备
d、 中断处理程序
功能：处理中断信号和修改进程状态等
8. 现有磁盘请求队列对应的煮面顺序为8,160,94,129,98,165,112,24，假设磁头当前所在的
位置为100号柱面，试写出用SSTF算法来处理的煮面访问顺序并计算移臂所经过的柱
面数。
答：
所以柱面访问顺序：98,94,112，，129,160,165,24,8. 移臂所经过的柱面数为234
0 8 24 94 98 100 112 129 160 165 199
移动顺序 8 7 2 1 0 3 4 5 6
移动变量 16 141 4 2 18 17 31 5
移动总和 234
操作系统第七章资料
7.1.2 文件名和文件类型
1 文件名和扩展名 （1）文件名。 在不同的系统之间，对文件名的规定是不同的，在
一些老的系统中，名字的长度还会受到限制。
（2）扩展名。 扩展名是添加在文件名后面的若干个附加字符，又 称为后缀名，用于指示文件的类型。
I/O缓冲区的指定;
逻辑文件系统.
(3)文件系统的接口: 文件系统向用户提供两种接口:
命令接口; 程序接口.
7.1.4 文件操作
(1)最基本的文件操作: • 创建文件; • 删除文件; • 读文件; • 写文件; •设置文件的读/写位置.
(2)文件的“打开”和“关闭”:
基本文件系统:又称为物理I/O层.该层主要用
于处理内存与磁盘或磁带机系统之间数据块的交 换.基本文件系统无需了解所传送的数据块的内 容或文件的结构.
基本I/O管理程序:又称为文件组织模块.该层
完成与磁盘I/O有关的大量事务,有:
要选择文件所在的设备;
进行文件逻辑块号到物理块号的转换;
空隙盘块的管理;
第七章 文件管理
在现代计算机系统中,要用到大量的程序和数据, 由于内存容量有限,又不能长期保存,故平时总是把它 们以文件的形式存放在外存中,需要时可随时将它们调 入内存.
但是这些外存文件由用户管理不仅非常困难也不 现实.必须由操作系统管理.所以在操作系统中增加了 文件系统.
信息是计算机系统中的重要资源,文件系统 是操作系统中的一个重要组成部分. 是负责信息 的组织、存储和访问。 文件系统的功能就是提供高效、快速和方便 的信息存储和访问功能。本章的主要内容就是信 息的组织。
操作系统第七章
7.1.1 地址重定位
1. 名字空间、地址空间和存储空间 在源程序中，是通过符号名来访问子程序和数据 的，我们把程序中符号名的集合称为“名字空间”。 汇编语言源程序经过汇编，或者高级语言源程序经 过编译，得到的目标程序是以“0”作为参考地址的 模块。然后多个目标模块由连接程序连接成一个具 有统一地址的装配模块，以便最后装入内存中执行。 我们把目标模块中的地址称为相对地址（或称为 “逻辑地址”），而把相对地址的集合称为“相对 地址空间/逻辑地址空间”或简称为“地址空间”。
汇编/编 译
符号 源程序
Load A,data1
地址重定 位 相对目标 程序（装 配模块）
Load A,200
连接
装 入 绝对目标 程序
Load A,55200
名字空 间
地址空间
存储空间
绝对地址/ 物理地址空间
10
相对地址/
逻辑地址空间
源程序
0 逻辑地址空间 100
物理地址空间
Load A data1
12
2. 地址重定位的分类
地址重定位，也称地址映射（map），它将相 对地址转换成内存中的绝对地址。按照重定位的 时机，可分为静态重定位和动态重定位。 静态重定位 静态重定位是在程序执行之前进行重定位。它 根据装配模块将要装入的内存起始地址，直接修 改装配模块中的有关使用地址的指令。 在图中以“0”作为参考地址的装配模块，要 装入以10000为起始地址的存储空间。显然在装入 程序之前，程序必须做一些修改才能正确运行。
编译连接
Load A 200
地址映射 BA=1000
Load A 200
200 data1 3456 3456
1200
。 3456 。 。
计算机组成原理第7章
80×86cpu的标志寄存器
8086 CPU中标志寄存器的内容：
① 条件码标志 包括以下6位： OF（Over Flow Flag） 溢出标志。(示例) 将参加算术运算的数看作带符号数，如运算结果 超出补码表示数的范围N，即溢出时，则OF置1； 否则OF置0。对于字节运算有128≤N≤+127；对 于字运算有32768≤N≤+32767。 SF（Sign Flag） 符号标志。(示例) 把指令执行结果看作带符号数，如结果为负， 则SF置1；结果为正，则SF置0。 ZF（Zero Flag） 零标志。(示例) 如指令执行结果各位全为0时，则ZF置1；否则ZF 置0。
字( 地址4)
半字( 地址8)
半字( 地址10)
三、操作类型
1. 数据传送
源
目的
7.2
寄存器
存储器
STORE MOVE PUSH
寄存器
寄存器
MOVE
存储器
寄存器
LOAD MOVE POP
存储器
存储器
MOVE
例如
置“1”，清“0”
2. 算术逻辑操作
加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
在调试程序DEBUG中提供了测试标志位的手段，用 符号表示某些标志位的值：
标志名 OF DF IF SF ZF AF PF CF 溢出（是/否） 方向（增量/ 减量） 中断（允许/关闭） 符号（正/负） 零（是/否） 辅助进位（是/否） 奇偶（偶/奇） 进位（是/否） 标志为1 OV DN EI NG ZR AC PE CY 标志为0 NV UP DI PL NZ NA PO NC
二进制代码来表示。一条指令由两部分构成：
计算机原理 第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
计算机原理第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
主题：第七章第一节—四节“计算机外围设备”的相关知识。
学习时间：2016年12月5日--12月11日内容：我们这周主要学习第七章一节—四节“外围设备概述”、“磁盘存储设备”、“磁带存储设备”的相关知识。
希望通过这四节内容的学习能使同学们掌握计算机外围设备的相关知识。
一、学习要求1．了解外围设备概述知识；2．掌握磁盘存储设备的相关知识；3．了解磁带存储设备相关内容。
二、主要内容（一）外围设备概述1．概念：计算机系统中除主机外的其他设备，包括输入和输出设备、外存储器、模数转换器、数模转换器、外围处理机等，是计算机与外界进行通信的工具，例如打印机、磁盘驱动器或键盘。
其主要功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用户之间提供联系，将外界的信息输入计算机，取出计算机要输出的信息，存储需要保存的信息和编辑整理外界信息以便输入计算机。
2．基本组成：---存储介质，它具有保存信息的物理特征；---驱动装置，它用于移动存储介质；---控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据；---外围设备可分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备几大类。
3．常见外围设备简介1）输入设备输入设备主要完成输入程序、数据和操作命令等功能，也是进行人机对话的主要部件。
（1）键盘键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与CRT显示器组成终端设备。
键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成的，每按下一个键，产生一个相应的字符代码(每个按键的位置码)，然后将它转换成ASCII码或其他码，送主机。
ASCII：(American Standard Code for Information Interchange) 用于信息交换的美国标准代码。
ASCII是128个字符组成的字符集。
（2）光笔、图形板和画笔（或游动标）输入光笔(light pen)的外形与钢笔相似，头部装有一个透镜系统，能把进入的光会聚为一个光点。
操作系统第7章
第7章设备管理§7.1 引言§7.1 引言设备管理的任务：选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作。
控制外围设备与主机之间交换数据。
为用户提供一个友好的透明接口，使得用户使用外围设备时无需了解其细节，即提供设备无关性。
提高设备与设备、设备与主机之间的并行程度。
为多道程序的并发执行创造条件。
§7.1 引言设备管理一般要提供下述功能：提供和进程管理系统的接口。
当进程要求设备资源时，该接口将进程要求转达给设备管理程序。
进行设备分配。
采用适当的管理策略，尽量提高设备与设备、设备与主机之间的并行程度。
进行缓冲区管理。
备的硬件特性字符设备和块设备：字符设备是指以字符为单位与主机之间传送数据的设备，如打印机，键盘等。
现在很多字符设备一次可以传送的数据不止一个字符，如打印机，可以一次传送一行甚至更多，但是当我们只需打印一个字符时，可以只传送一个字符。
块设备是指以物理块为单位与主机之间传送数据的设备，如硬盘、光盘、软盘等。
我们即使只需要从硬盘中读取一个字节，硬盘也要把该字节所在的物理块全部读出。
备的硬件特性外围设备与主机的连接方式：外围设备直接与主机相连，硬件结构简单，管理起来较困难，不易扩展。
备的硬件特性外围设备与主机的连接方式：外围设备通过控制器与主机相连备的硬件特性外围设备与主机的连接方式：外围设备通过控制器与主机相连的方式：这种方式是当前大多数PC机采用的方式。
在控制器和主机之间通过总线相连，如PCI总线，PCI-Ⅱ总线等。
当前大多数PC机的控制器集成在主板上，如显示控制器、声音控制器、硬盘控制器、软盘控制器等。
主板上也提供I/O总线插槽，控制器也可以实现在独立的板卡上，板卡插在I/O总线插槽上与主机相连。
如显卡、声卡等。
硬件设备通过专门的电缆与控制器相连，如硬盘与硬盘控制器之间有专门的硬盘线，显示控制器与显示器之间有专门的显示器电缆。
一个控制器可以连接多个设备，如硬盘控制器可以连接多个硬盘。
计算机科学导论 第七章 操作系统
二、状态图
三、调度器：作业调度器和进程调度器 1、作业调度器
将一个作业从保持状态转入到就绪状态，或从运 行状态转入终止状态 即负责从作业中建立一个进程和终止一个进程
保持
作业调度器
终止
2、进程调度器
将一个进程从一个状态转入另一个状态
四、队列 计算机资源是有限的，和很多作业和进程都需 要使用计算机的资源。那么，谁先使用？何时 使用？怎么办？
7.2 演化
操作系统的发展过程 一、无操作系统的计算机系统（1945-50年代中期） 1. 人工操作方式
2. 脱机输入输出方式
1. 人工操作方式
工作流程：
（1）由程序员事先穿孔（对应程序和数据）
（2）将穿孔的纸带（卡片）装入纸带（卡片)输入机 （3）再启动输入机将程序和数据输入计算机 （4）然后启动计算机运行 （5）运行完毕取走计算机结果 （6）下一位用户
2、饥饿
这种情况与死锁相反。由于OS对于资源控制过严， 只有在所需要的资源都准备好后才能执行。限制太 多，造成永远得不到资源。 P136 图7-18
设备管理器
主要任务：监视I/O设备，保证其正常运行 维护I/O设备队列 控制I/O设备访问策略
文件管理器
主要任务：文件访问权限控制 文件的创建、删除、修改 文件的命名 存储管理，存在那儿？如何存？ 归档与备份
共享主机：多个用户都希望以“独占”方式共享一台计算 机。
方便上机：用户希望有一个终端设备直接将作业传递给计 算中心主机，并能直接对其作业控制。
三、分时系统
分时系统示意图
计算机硬件 分时操作系统
响应时间
…
123 n 时间片
计算机组成原理第7章 输入与输出系统_V1.2
异步定时方式
于是，CPU将进入一个循环程序中等待， 并在每次循环中询问外设的状态，一直到 外设发出“准备就绪”信号以后，才从外 设接收数据。 CPU发送数据的情况也与上述情况相 似，外设先发出请求输出信号，而后， CPU询问外设是否准备就绪。如果外设已 准备就绪，CPU便发出准备就绪信号，并 送出数据。
38
7.3 存储器直接存取方式
• 7.3.1 存储器直接存取的基本概念 • 7.3.2 存储器直接存取的特点 • 7.3.3 存储器直接存取的工作过程
39
7.3.1 存储器直接存取的基本概念
直接存储器存取（DMA）方式，是一种 完全由硬件控制的输入/输出工作方式，这种 硬件就是DMA控制器。在正常工作时，CPU 是计算机系统的主控部件，所有工作周期均 用于执行CPU的程序。 在DMA方式下，CPU释放总线的控制权 ，DMA控制器接管总线，数据交换不经过 CPU，而直接在内存和外围设备之间进行。 DMA方式一般用于高速地传送成组数据。
29
7.2.3 程序中断处理
• CPU从接收中断请求信号到中断服务结束 ，可分为两个阶段：一是中断响应，二是 中断处理。 • 中断响应阶段主要解决三个问题：一是正 确地找到对应的中断服务程序的入口地址 ，二是为中断返回做好准备，三是保证中 断响应的完整性。整个中断响应过程如图 7-4所示。
30
7.2.3 程序中断处理
23
7.2.2 程序中断简介
“中断”是由外围设备或其他急需处理的 事件引起的，外围设备处于“主动”的地位 。“中断”使CPU将正在执行的程序暂停， 然后转至另一服务程序去处理这一事件，待 事件处理完毕后返回原程序继续执行。例如 ，现有1号、2号、3号外围设备处于中断工 作方式，它们分别在时刻t1、t2和t3向CPU 请求服务，其示意图如图7-3所示。
计算机组成原理第七章
工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为7级(RAID 0～RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。
台号
柱号（磁道）号
扇区号
盘面号/磁头号
7.3磁盘存储设备的技术发展
一、磁盘cache 随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增长1倍左右，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每15年增长1倍左右。但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级。而主存的存取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出，因此磁盘I/O系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时间，可采取的措施有：提高磁盘机主轴转速，提高I/O总线速度，采用磁盘cache等。主存和CPU之间设置高速缓存cache是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异。同样，磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异。
7.2磁盘存储设备
磁盘驱动器和控制器 磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。
7.2磁盘存储设备
第三个是数据传送时间。
7.2磁盘存储设备
数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为n转/秒，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率： Dr=nN(字节/秒) 或Dr=D·v(字节/秒)
计算机科学导论课件-第七章 操作系统
防止死锁的措施
▪ 当不是所有资源都空闲的时候，不允许进 程运行；
▪ 限制进程专用资源的时间。
2.饿死（starvation）
▪ 与死锁相反，发生在操作系统对进程分配 资源有太多限制的时候。
设备管理和文件管理
▪ 看书pp.136--137
7.4
主流操作系统
Windows－－菜单驱动的操作系统。
2.耗尽分配的 时间片，直 接进入等待 状态；
3.进程结束， 进入终止状 态。
调度器（1/2）
▪ 将一个作业或进程从一个状态改变为另一 个状态，需要使用作业调度器和进程调度 器。
▪ 作业调度器负责从作业中创建一个进程和 终止一个进程。
调度器（2/2）
▪ 进程调度器：将一个进程从一个状态转入 另一个状态。
缺点： • 分区大小必须由内存管理器事先决定。大小的把握； • 即使分区中开始时合适，也不能保证一直合适。
分页调度
1. 内存被分成大小相等的若干个部分，成为 帧
2. 程序被分为大小相等的部分，成为页。 3. 页和帧的大小通常相等，且与系统用于从
存储设备中提取信息的块大小相等 4. 程序中内存中不必是连续的
4、并行系统（Parallel systems） • 同一个计算机中安装多个CPU • 任务不再是串行处理
5、分布式系统（Distributed systems） • 随着网络发展而出现的 • 程序在一台计算机上运行一部分
6、实时系统（Real-time systems） • 要求在特定时间内完成任务 • 通常用于实事监控系统 • 通常用于满足特殊需求
进程同步
▪ 资源被多个进程同时使用，可能有2种有问 题的状态：死锁和饿死。
1. 死锁（deadlock）：
计算机原理第七章8259
8259的初始化命令字ICW2
ICW2是中断类型码初始化命令字，A0=1，跟在ICW1后表示对 ICW2编程。
ICW2设置中断类型码； 中断类型码高5位来自ICW2高5位，低3位对应IR0~IR7。
17
8259的初始化命令字ICW3
ICW3是标志主片/从片的初始化命令字，只有当SNGL=0时，跟 在ICW2后面出现，对其设置应使A0=1；
连接系统总线方式
缓冲方式 在多片8259级连的大系统中，8259通过总线驱动器和数据总线相 连； 使用8259的SP#/EN#作为总线驱动器的使能信号；
非缓冲方式 8259的SP#/EN#作为输入； 单片使用时， SP#/EN#接高电平；多片时，主片SP#/EN#接高电 平，从片SP#/EN#接低电平；
操作命令字可在任何时候写入8259A ，且无顺序。
OCW1为中断屏蔽操作命令字； A0=1 表示设置OCW1； Mi=1 表示屏蔽IRi输入中断请求；
28
8259的操作命令字OCW2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
OCW2用来设置优先级循环方式和中断结束方式； A0=0，且D4D3 = 00，表示对OCW2编程； R，优先级循环状态 R=1优先级自动循环；R=0优先级不循环； EOI 中断结束命令位，非自动结束方式时清ISn； SL 设定标志。 SL=1，由L2、L1、L0指明中断号或最低优先权； SL=0，则L2、L1、L0无效；
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设置优先级方式
优先级自动循环方式 一般用在系统中多个中断源优先级相等的场合； 优先级是变化的，一个设备收到中断服务后，它的优先级自 动降为最低； 初始优先级为IR0－IR7；
优先级特殊循环方式 最低优先级由初始编程设置；
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