輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日除cpu及內(nèi)存以外的所有設(shè)備和裝置(I/O設(shè)備，存儲(chǔ)設(shè)備等)。一、設(shè)備：外部設(shè)備：打印機(jī)、顯示器、光盤(pán)、磁盤(pán)(硬、軟)、鍵盤(pán)、磁帶等存儲(chǔ)設(shè)備：用來(lái)存放各種信息的設(shè)備稱為存儲(chǔ)設(shè)備，例如，軟盤(pán)、硬盤(pán)、光盤(pán)和磁帶等；I/O設(shè)備：用來(lái)向計(jì)算機(jī)輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等。在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有些設(shè)備既可以做存儲(chǔ)設(shè)備，也可以做I/O設(shè)備，例如，軟盤(pán)、硬盤(pán)等。5.1概述第二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日1.按所屬關(guān)系系統(tǒng)設(shè)備–––在o.s生成時(shí)已登記于系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備用戶設(shè)備–––在o.s生成時(shí)未已登記于系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備二、設(shè)備的簡(jiǎn)單分類(lèi)第三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日2.按資源分配角度：獨(dú)占設(shè)備：一次只能分給一個(gè)用戶使用共享設(shè)備：可供多個(gè)作業(yè)進(jìn)程共享虛擬設(shè)備：使用spooling技術(shù)使獨(dú)占型設(shè)備成為共享設(shè)備，從而提高了設(shè)備利用率和系統(tǒng)的效率，這種技術(shù)被稱為虛擬設(shè)備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的硬件和軟件系統(tǒng)被稱為SPOOLing，或稱為假脫機(jī)系統(tǒng)。第四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日3.按基本信息單位分：字符設(shè)備

–––處理信息以單個(gè)字符為單位，慢(如：打印機(jī))塊設(shè)備

–––以一組數(shù)據(jù)為單位(512字節(jié))，快(如：磁盤(pán))第五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)備管理目的提高效率：提高I/O訪問(wèn)效率，匹配CPU和多種不同處理速度的外設(shè)方便使用：方便用戶使用，對(duì)不同類(lèi)型的設(shè)備統(tǒng)一使用方法，協(xié)調(diào)對(duì)設(shè)備的并發(fā)使用方便控制：方便OS內(nèi)部對(duì)設(shè)備的控制：增加和刪除設(shè)備，適應(yīng)新的設(shè)備類(lèi)型第六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)備管理的目標(biāo)提高各種外部設(shè)備的工作效率向用戶提供使用方便且獨(dú)立于設(shè)備的統(tǒng)一界面（設(shè)備的獨(dú)立性）對(duì)各種外部設(shè)備采用盡可能統(tǒng)一的管理方法，設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)練、可靠、易于維護(hù)的設(shè)備管理系統(tǒng)。第七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由于具體物理設(shè)備的多樣性、復(fù)雜性，編制輸入輸出程序是相當(dāng)復(fù)雜。由操作系統(tǒng)來(lái)負(fù)責(zé)輸入輸出工作，使系統(tǒng)形成一種對(duì)“用戶友好”的環(huán)境。方便性：向用戶提供使用方便且獨(dú)立于設(shè)備的統(tǒng)一界面對(duì)不同設(shè)備都使用同一套界面。統(tǒng)一性：第八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)具體設(shè)備的物理I/o操作，用戶僅使用邏輯設(shè)備名，這樣用戶僅與邏輯設(shè)備有關(guān)，而與具體的物理設(shè)備無(wú)關(guān)－－設(shè)備獨(dú)立性。一個(gè)程序應(yīng)該與給定設(shè)備類(lèi)型中的哪一臺(tái)設(shè)備供其使用無(wú)關(guān)。要求用戶程序盡可能地與設(shè)備類(lèi)型無(wú)關(guān)。程序是從“虛擬設(shè)備”上進(jìn)行操作。設(shè)備獨(dú)立性：第九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日為了提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)效率，設(shè)備管理的設(shè)計(jì)應(yīng)能使各設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸與CPU并行運(yùn)行，使各設(shè)備充分地并行工作。并行性：提高各種外部設(shè)備的工作效率由于輸入輸出操作往往成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的“瓶頸”部分，因此設(shè)備管理設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地使設(shè)備有效地工作，考慮各設(shè)備忙閑的均衡性，避免忙閑不均現(xiàn)象。有效性與均衡性：第十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日計(jì)算機(jī)外部設(shè)備種類(lèi)繁多，特性各異。主要表現(xiàn)在：（1）速度

（2）傳輸單位

對(duì)各種外部設(shè)備采用盡可能統(tǒng)一的管理方法（3）容許的操作（4）出錯(cuò)條件第十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)備管理的基本功能記錄系統(tǒng)中所有設(shè)備、控制器和通道的狀態(tài)，以掌握系統(tǒng)中的I/O設(shè)備資源及其使用情況。－－I/O交通控制程序按一定的算法在諸爭(zhēng)用進(jìn)程間調(diào)度和分配設(shè)備－－

I/O調(diào)度程序完成實(shí)際的I/O操作－－通道執(zhí)行通道程序第十二頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日I/O操作由程序發(fā)起，并等待操作完成。數(shù)據(jù)的每次讀寫(xiě)通過(guò)CPU。在與外設(shè)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，首先查詢外設(shè)的狀態(tài)，僅當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好時(shí)，才在CPU與外設(shè)間傳輸數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：CPU與外設(shè)是異步工作的，在外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，CPU只能等待。5.3輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)程序查詢方式----I/O控制方式早期的設(shè)備控制方式采用。第十三頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日CPU與外設(shè)并行操作，僅當(dāng)外設(shè)準(zhǔn)備好向CPU傳送數(shù)據(jù)時(shí)，才向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU為其服務(wù)。即轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序，進(jìn)行I／O服務(wù)，在主機(jī)與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)。采用這種方式要求控制寄存器中有一個(gè)中斷位。優(yōu)點(diǎn)：在外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，CPU不必等待，可以繼續(xù)執(zhí)行該程序或其他程序。缺點(diǎn)：CPU每次處理的數(shù)據(jù)量少（通常不超過(guò)幾個(gè)字節(jié)），只適于數(shù)據(jù)傳輸率較低的設(shè)備。程序中斷方式第十四頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由程序設(shè)置DMA控制器中的若干寄存器值（如內(nèi)存始址，傳送字節(jié)數(shù)），然后發(fā)起I/O操作，而后者完成內(nèi)存與外設(shè)的成批數(shù)據(jù)交換，在操作完成時(shí)由DMA控制器向CPU發(fā)出中斷。以“竊取”總線周期的方式，在存儲(chǔ)器與外設(shè)間傳送數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)：CPU只需干預(yù)I/O操作的開(kāi)始和結(jié)束，而其中的一批數(shù)據(jù)讀寫(xiě)無(wú)需CPU控制，適于高速設(shè)備，常用于塊設(shè)備傳輸系統(tǒng)中。缺點(diǎn)：完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)傳輸，不能滿足復(fù)雜I/O直接存取訪問(wèn)方式(DMA,DirectMemoryAccess)第十五頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日通道傳送方式(channel)在大、中型和高檔小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，大多采用通道技術(shù)CPU與通道并行工作，由通道實(shí)現(xiàn)在存儲(chǔ)器與外設(shè)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳送。I/O通道是一種特殊的處理機(jī)，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過(guò)執(zhí)行通道（I/O）程序來(lái)控制I/O操作。通道只能執(zhí)行與I/O操作有關(guān)的指令，其指令類(lèi)型單一；通道沒(méi)有自己的內(nèi)存，即通道與CPU共享內(nèi)存。第十六頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日第十七頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日現(xiàn)代計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)：由通道、控制器和設(shè)備三級(jí)組成I/O操作要經(jīng)過(guò)三級(jí)控制：第一級(jí)由CPU執(zhí)行I/O指令，啟動(dòng)或停止通道，查詢通道狀態(tài)；第二級(jí)是在通道接收CPU的通道命令字后，由通道執(zhí)行為其準(zhǔn)備的通道程序，向控制器發(fā)命令；第三級(jí)由控制器根據(jù)通道發(fā)出的命令控制外設(shè)完成I/O操作。第十八頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日由于外設(shè)資源的有限，需解決進(jìn)程間的外設(shè)共享問(wèn)題，以提高外設(shè)資源的利用率。設(shè)備分配是對(duì)進(jìn)程使用外設(shè)過(guò)程的管理。系統(tǒng)必須有一個(gè)合理的設(shè)備分配機(jī)制，并且要保證系統(tǒng)的安全性，消除諸進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)資源而導(dǎo)致死鎖的現(xiàn)象。5.2設(shè)備分配設(shè)備分配的原則是合理使用外設(shè)(公平和避免死鎖)，提高設(shè)備利用率。第十九頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日獨(dú)占、共享和虛擬設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配策略設(shè)備分類(lèi)：獨(dú)占設(shè)備：打印機(jī)等；共享設(shè)備：磁盤(pán)、網(wǎng)卡等；虛擬設(shè)備分配策略：獨(dú)占方式：

設(shè)備利用率不高，不利于共享共享方式：

虛擬方式：

提高系統(tǒng)和I/O設(shè)備的利用率，減少進(jìn)程在運(yùn)行期間等待I/O操作的時(shí)間。第二十頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)備分配算法先請(qǐng)求先服務(wù)：按I/O請(qǐng)求的先后順序，排成I/O請(qǐng)求命令隊(duì)列；按FCFS分配設(shè)備；優(yōu)先權(quán)高者優(yōu)先：依據(jù)進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)，指定I/O請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，排成不同優(yōu)先級(jí)隊(duì)列；按優(yōu)先級(jí)高低分配設(shè)備。對(duì)優(yōu)先權(quán)相同的進(jìn)程，則按先請(qǐng)求先服務(wù)算法分配。設(shè)備分配中的安全性多進(jìn)程請(qǐng)求使用I/O設(shè)備時(shí)，應(yīng)進(jìn)行安全性檢查，以防止因相互等待對(duì)方進(jìn)程釋放其所占設(shè)備而導(dǎo)致死鎖。靜態(tài)分配法動(dòng)態(tài)分配法第二十一頁(yè)，共二十三頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)備獨(dú)立性（物理設(shè)備和邏輯設(shè)備）邏輯設(shè)備：用戶程序中所涉及的該類(lèi)物理設(shè)備特性的抽象；目的：實(shí)現(xiàn)用戶程序與物理設(shè)備的無(wú)關(guān)性

系統(tǒng)規(guī)定，在用戶程序中不直接使用物理設(shè)備名，而使用邏輯設(shè)備名。優(yōu)點(diǎn)：改善設(shè)備利用率