操作系统的io管理介绍

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1、操作系统的IO管理介绍今天这篇关于计算机操作系统的技术文章，我们主要来谈谈关于计算机操作系统的IO方面的内容。I/O设备管理是操作系统设计中最凌乱也最具挑战性的部分。由于它包含了很多领域的不同设备以及与设备相关的应用程序，因此很难有一个通用且一致的设计方案。所以在理解设备管理之前，应该先了解具体的I/O设备类型。计算机系统中的I/O设备按使用特性可分为以下类型：1)人机交互类外部设备：用于同计算机用户之间交互的设备，如打印机、显示器、鼠标、键盘等。这类设备数据交换速度相对较慢，通常是以字节为单位进行数据交换

2、。2)存储设备：用于存储程序和数据的设备，如磁盘、磁带、光盘等。这类设备用于数据交换，速度较快，通常以多字节组成的块为单位进行数据交换。3)网络通信设备：用于与远程设备通信的设备，如各种网络接口、调制解调器等。其速度介于前两类设备之间。网络通信设备在使用和管理上与前两类设备也有很大不同。除了上面最常见的分类方法，I/O设备还可以按以下方法分类：1)按传输速率分类：•低速设备：传输速率仅为每秒几个到数百个字节的一类设备，如键盘、鼠标等。•中速设备：传输速率在每秒数千个字节至数万个字节的一类设备，如行式打印机、

3、激光打印机等。•高速设备：传输速率在数百个千字节至千兆字节的一类设备，如磁带机、磁盘机、光盘机等。2)按信息交换的单位分类：•块设备：由于信息的存取总是以数据块为单位，所以存储信息的设备称为块设备。它属于有结构设备，如磁盘等。磁盘设备的基本特征是传输速率较高，以及可寻址，即对它可随机地读/写任一块。•字符设备：用于数据输入/输出的设备为字符设备，因为其传输的基本单位是字符。它属于无结构类型，如交互式终端机、打印机等。它们的基本特征是传输速率低、不可寻址，并且在输入/输出时常釆用中断驱动方式。设备管理的主要任

4、务之一是控制设备和内存或处理机之间的数据传送，外围设备和内存之间的输入/输出控制方式有四种，下面分别介绍。程序直接控制方式如图5-1(a)所示，计算机从外部设备读取数据到存储器，每次读一个字的数据。对读入的每个字，CPU需要对外设状态进行循环检查，直到确定该字已经在I/O控制器的数据寄存器中。在程序直接控制方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低速性，致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成了CPU资源的极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就

5、是因为在CPU中没有釆用中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。程序直接控制方式虽然简单易于实现，但是其缺点也是显而易见的，由于cpu和I/O设备只能串行工作，导致CPU的利用率相当低。中断驱动方式中断驱动方式的思想是，允许I/O设备主动打断CPU的运行并请求服务，从而“解放”CPU，使得其向I/O控制器发送读命令后可以继续做其他有用的工作。如图5-1(b)所示，我们从I/O控制器和CPU两个角度分别来看中断驱动方式的工作过程：从I/O控制器的角度来看，I/O控制器从CPU接收一

6、个读命令，然后从外围设备读数据。一旦数据读入到该I/O控制器的数据寄存器，便通过控制线给CPU发出一个中断信号，表示数据已准备好，然后等待CPU请求该数据。I/O控制器收到CPU发出的取数据请求后，将数据放到数据总线上，传到CPU的寄存器中。至此，本次I/O操作完成，I/O控制器又可幵始下一次I/O操作。图5-1I/O控制方式从CPU的角度来看，CPU发出读命令，然后保存当前运行程序的上下文（现场，包括程序计数器及处理机寄存器），转去执行其他程序。在每个指令周期的末尾，CPU检查中断。当有来自I/O控制器的

7、中断时，CPU保存当前正在运行程序的上下文，转去执行中断处理程序处理该中断。这时，CPU从I/O控制器读一个字的数据传送到寄存器，并存入主存。接着，CPU恢复发出I/O命令的程序（或其他程序）的上下文，然后继续运行。中断驱动方式比程序直接控制方式有效，但由于数据中的每个字在存储器与I/O控制器之间的传输都必须经过CPU,这就导致了中断驱动方式仍然会消耗较多的CPU时间。DMA方式在中断驱动方式中，I/O设备与内存之间的数据交换必须要经过CPU中的寄存器，所以速度还是受限，而DMA（直接存储器存取）方式的基本

8、思想是在I/O设备和内存之间开辟直接的数据交换通路，彻底“解放”CPU。DMA方式的特点是：•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，或者相反。•仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在DMA控制器的控制下完成的。图5-2列出了DMA控制器的组成。图5-2DMA控制器的组成为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器：1.