计算机操作系统 郁红英 冯庚豹1 第4章 设备管理1——IO系统

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1、第四章设备管理I/O系统磁盘管理缓冲管理I/O系统I/O硬件组成I/O数据控制方式I/O设备分配I/O控制Windows2000的I/O系统4.1I/O硬件组成主机I/O系统——四级结构微型机I/O系统——单总线结构设备类型按传输速率分低速设备—几个字节~数百字节，如：键盘、鼠标、语音设备等。中速设备—数千字节~数万字节，如：打印机等。高速设备—数十万字节~数兆字节，如：磁带机、磁盘机、光盘机等按信息交换单位分块设备—如：磁盘、磁带，块大小512B~32KB，通常为512B。块设备的特点是速度高、随机访问、I/O采用DMA。

2、字符设备—如：键盘、行式打印机。特点是速度低、不可寻址、I/O采用中断驱动。按设备共享属性分独立设备共享设备虚拟设备—如：脱机输入输出技术设备控制器●设备控制器或适配器是I/O设备的电子部分，它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作。通常一台控制器可控制多台同一类型的设备。●在微机中，设备控制器常做成印刷电路卡的形式，如I/O卡。●设备控制器的种类很多，需要不同的软件来控制它，这样的软件就是设备驱动程序。●控制器的功能接收和识别CPU发来的命令——控制寄存器数据交换——数据寄存器了解设

3、备的状态，报告给CPU——状态寄存器地址识别——地址译码器设备控制器的组成控制器与CPU之间接口——用于控制设备与总线之间交换数据。控制器与设备之间接口——用于根据CPU发来的命令，控制设备的动作。I/O逻辑——用于实现对设备的控制。I/O逻辑对收到的地址进行译码，在根据译出的命令对设备进行控制。I/O通道虽然有控制器可以对设备进行控制，但当外设很多时，CPU负担过重，为此在CPU与控制器之间增加通道。增加通道的目的“是建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送能独立于CPU，而且有关I/O操作的组织、管理及结束也尽量独立，以保

4、证CPU有更多的时间去进行数据处理。通道是特殊的处理机它指令单一。没有内存。通道的类型数组选择通道连接磁盘等高速外设。以块为传送单位。通道随与多个外设相连，但通常被一个设备专用，用完释放后才让给其他设备。数组多路通道连接高速外设。如磁盘。综合字节多路通道的”并行“和选择通道的”高速“的优点。通道利用一台设备”读写定位“的时间，再与另一外设交换信息。字节多路通道连接中、低速外设。如打印机、终端等。以字节为传送单位。传送时，通道与多个外设交叉传递，当一个外设交换一个字节后，立即腾出，将通道让给另一个设备使用。通道的连接方式单通路

5、多通路设备与计算机之间有多条通道，增加灵活性。增强可靠性。某通道、控制器坏，也不会影响数据交换。4.2I/O数据控制方式●I/O数据控制方式的发展经历了四个阶段程序I/O方式中断驱动方式DMA控制方式通道方式●在I/O控制的整个发展过程中，始终贯穿着一条宗旨，尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制事物中解脱出来，以更多地去完成数据处理任务。程序I/O方式忙—等待方式缺点CPU与外设只能串行工作。CPU在一段时间内只能与一台外设交换数据信息。无法发现和处理由于设备和其它硬件所产生的错误。中断驱动方式中断方式缺

6、点中断的次数过多。中断次数的急剧增加会造成CPU无法及时响应中断，出现数据丢失现象。DMA控制方式●中断方式比程序I/O方式有效，但它是以字节为单位进行的，每传送一个字节，控制器便向CPU请求一次中断，如果将这种方式用于块设备的I/O，显然是低效的。例如要读1KB的数据块，需要中断1K次CPU。●为了减少CPU对I/O的干预，引入DMA方式。该方式的特点为：数据传输的基本单位是数据块。所传送的数据是从设备直接送入内存的。仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。DMA控制

7、器的组成增加两类寄存器：内存地址寄存器MAR数据计数器DＣDMA工作过程●当CPU需要从磁盘读数据时，便向磁盘控制器DMA发命令，●该命令送命令寄存器CR，●将内存地址送内存地址寄存器MAR，●本次要读的字节数送数据寄存器DC。●启动DMA后，CPU干其他的事情，数据传送在DMA的控制下完成。I/O通道方式DMA方式比中断方式、程序I/O方式以显著地减少了CPU的干预，即从字节为单位的干预减少到以数据块为单位的干预。I/O通道方式是DMA方式的发展，把以数据块为单位的干预，减少到对一组数据块为单位的干预。在DMA方式中，每发

8、出一个I/O指令，能读（写）一个连续的数据块，当需要一次去读多个离散的数据块且将它们分别传送到不同的内存区域时，则需多条I/O指令和多次中断，而通道只需一次即可完成。通道有一系列通道指令构成。●通道指令的格式：●操作码——规定了指令所要执行的操作，如读、写等。●计数——表示本条指令要读（写