操作系统--io管理

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1、设备管理1本章教学目标了解I/O子系统的设计目标及实现方式理解I/O子系统的硬件和软件原理掌握磁盘的结构掌握驱动器调度算法理解设备独立性和虚拟设备2I/O工作方式回顾轮询中断DMA3轮询工作机制CPU不断去测试状态寄存器中特定位的值若就绪，则CPU从（向）数据寄存器读取（写入）一个字，并保存到主存储器若I/O设备忙或未就绪，则CPU处于忙等状态缺点CPU轮询浪费宝贵的时间CPU需要参与数据的传输，与设备只能串行工作4中断工作机制进程发出启动I/O指令，CPU加载控制信息到设备控制器的寄存器，之后进程

2、继续执行或放弃CPU等待I/O操作完成；设备控制器检查状态寄存器的内容，按照I/O指令的要求，执行I/O操作，一旦传输完成，设备控制器通过中断请求线向CPU发出I/O中断信号；CPU收到并响应I/O中断后，转向设备的中断处理程序执行；中断处理程序执行操作（如数据读取），并将等待的进程移到就绪队列，结束后退出中断处理程序，返回到中断发生前的状态；进程调度程序在适当时刻对得到数据的进程恢复执行。优点克服了轮询I/O中的忙等，实现了CPU和设备的部分并行操作缺点CPU仍需参与数据的传输每当设备控制器的缓冲

3、满后就要发生中断，发生中断的次数较多每次中断处理需要保护现场和恢复现场，额外开销大5中断(cont)在执行关键代码的时候，需要有延迟中断处理的能力；中断分为可屏蔽中断和不可屏蔽中断在执行关键代码之前，可以屏蔽中断需要高效的分派中断处理的机制中断向量:存储了中断处理程序的入口地址需要多重中断处理机制，以支持中断优先级顺序执行嵌套执行6直接存储器存储（DMA）工作方式CPU对DMA控制器进行设置，给出需要传输的数据的源地址、目的地址、需要传输的数据个数，以及控制信息（如读/写），然后就继续其它工作；DM

4、A控制器获得总线控制权（此时，CPU无法获得总线），请求I/O控制器和内存进行数据读/写操作I/O控制器与内存通过DAM控制器进行数据读/写操作每传输一个字，DMA控制器将计数器减1，并重复上述操作，直至计数器递减为0DMA控制器向CPU发出中断请求信号优点数据传输无需CPU参与，实现了CPU和I/O的并行操作适合大数据量传输缺点DMA控制器需要和CPU竞争总线使用权总线使用权的竞争会导致CPU等待，但不会造成其寄存器内容的修改7I/O设备的种类用户交互设备打印机显示器键盘鼠标存储设备磁盘磁带通信设

5、备以太网卡Modem专用设备飞机操纵杆踏板。。。8I/O设备物理特征数据传输模式字符设备vs块设备访问模式随机访问vs顺序访问传输调度同步vs异步独占性共享vs独占速度几字节每秒～几G字节每秒读写特性只读，只写，读写910I/O设备的传输速度11I/O设备特征总结I/O设备的种类和数量越来越多I/O设备与主机的联络和信息交换方式各不相同I/O设备的传输速度差别很大12I/O子系统设计的目的通用性I/O设备的多样化，操作方式各不相同，物理特性各异增加新的I/O设备而无需修改操作系统向应用程序和操作系统

6、上层软件隐藏I/O操作的细节高效性I/O设备的速度远远低于CPU和Memory的速度，是系统的瓶颈所在提高I/O设备的并行性和效率能大大提高系统的整体性能13I/O子系统应具备的功能设备中断处理缓冲区管理设备分配和去配设备驱动调度虚拟设备及其实现14I/O系统的分层I/O硬件I/O设备（机械部件）设备控制器（电子部件），又称适配器中断装置I/O软件中断处理程序设备驱动与设备无关的内核I/O子系统1516I/O硬件的通用概念连接端口（Port）I/O设备与机器的连接点如串行口、并行口总线（Bus）多个

7、设备共用的一组数据线/地址线/控制线一组严格的协议，规定什么类型的消息可以发送到线上例如，PCBUS,扩展总线，SCISIBUS设备控制器（Controller）一组用于操作端口、总线或设备的电子部件I/O端口/寄存器用于简化CPU和设备通信的一组寄存器，又称I/OPort17I/O设备、设备控制器、总线以及内存、CPU的关系18设备控制器(controller)Controller是操作系统与设备的机械部件之间的接口Controller有一组寄存器用于数据传输和信号控制操作系统与Controlle

8、r的两种交互方式通过特殊的I/O指令读/写controller的一组寄存器Memory-mappedI/O：将寄存器映射到内存空间，通过内存读写指令来实现Controller与设备之间的交互很底层的接口如磁盘控制器将一串比特流转换成字节块，并执行错误检测引入控制器简化了系统的设计，使CPU从繁杂的设备操作中解放出来19设备控制器设备控制器的主要功能接收和识别CPU或通道发来的命令例如磁盘控制器能接收读、写、查找等各种命令实现数据交换设备和控制器之间的数据传输控制器和主