【正文】 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 1 第五章 設(shè)備管理 輸入輸出管理概念 數(shù)據(jù)傳送控制方式 中斷技術(shù) 緩沖技術(shù) 設(shè)備分配 I/O進(jìn)程控制 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 磁盤(pán)的驅(qū)動(dòng)調(diào)度 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 2 輸入輸出管理概念 一、設(shè)備管理的目的： 1）合理地利用外部設(shè)備 :提高設(shè)備的并行性和均衡性 。 2）方便用戶： 對(duì)各種不同的設(shè)備都使用同一界面 。 二、設(shè)備管理的功能 根據(jù)各類設(shè)備的特點(diǎn)確定相應(yīng)的分配策略。（ 包括：設(shè)備分配策略，分配的方式，分配技術(shù)和選擇用戶的算法 。） 啟動(dòng)設(shè)備完成實(shí)際的輸入輸出操作。 向用戶提供統(tǒng)一、友好的使用界面。（設(shè)備獨(dú)立性） 優(yōu)化設(shè)備的調(diào)度、提高設(shè)備的利用率。 外部設(shè)備： 除 CPU、主存之外的其它設(shè)備。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 3 三 、 設(shè)備的分類 計(jì)算機(jī)的 I/O設(shè)備種類很多，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，管理起來(lái)較困難，為了管理上的方便。通常按不同的觀點(diǎn)．從不同的角度對(duì)設(shè)備進(jìn)行分類。 1．按所屬關(guān)系分類 1） 系統(tǒng)設(shè)備。 指在操作系統(tǒng)生成時(shí)已登記于系統(tǒng)中的 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 。如鍵盤(pán)、打印機(jī)、磁盤(pán)等。 2） 用戶設(shè)備。 指在系統(tǒng)生成時(shí)未登記于系統(tǒng)中的 非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 。用戶必須用某種方式把這類設(shè)備交給系統(tǒng)統(tǒng)一管理，如繪圖機(jī)、掃描儀等， 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 4 2．從資源分配角度分類 1） 獨(dú)占設(shè)備。 指在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，一經(jīng)分配給某一作業(yè)，就在作業(yè)整個(gè)運(yùn)行期間都為它獨(dú)占的設(shè)備，如 打印機(jī)、卡片輸入機(jī) 等。 2） 共享設(shè)備。 指允許若干個(gè)用戶同時(shí)共享使用的設(shè)備，如磁盤(pán)、磁帶 等。 3） 虛擬設(shè)備。 為提高設(shè)備的利用率，通過(guò) Spooling技術(shù)把獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備，用來(lái)模擬獨(dú)占設(shè)備的那部分共享設(shè)備稱為 虛擬設(shè)備 。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 5 3．從設(shè)備的使用特性分類 1） 存儲(chǔ)設(shè)備。 指計(jì)算機(jī)用來(lái)存儲(chǔ)信息的設(shè)備：如磁盤(pán)、磁帶等。 2） 輸入輸出設(shè)備。 包括輸入設(shè)備和輸出設(shè)備兩大類。 輸入設(shè)備 ：是將外部世界來(lái)的信息輸送給計(jì)算機(jī)，如鍵盤(pán)、鼠標(biāo)器、掃描儀等。 輸出設(shè)備： 是將計(jì)算機(jī)處理或加工好的信息輸出給外部世界，如打印機(jī)、顯示器、繪圖機(jī)等。 3） 終端設(shè)備。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 6 4．按信息交換方式分類 1）塊設(shè)備。 指計(jì)算機(jī)的主存和外設(shè)之間的信息交換是以塊為單位進(jìn)行的設(shè)備。一塊通常是 512個(gè)字節(jié)或 1K字節(jié)，由于信息交換以塊為單位進(jìn)行，所以這類設(shè)備有較高的存取速度；如 磁盤(pán)、磁帶 等。 2）字符設(shè)備。 指計(jì)算機(jī)的主存與設(shè)備之間的信息交換是以字符為單位進(jìn)行的設(shè)備，由于每次只能傳送一個(gè)字符的信息，所以這類設(shè)備的速度較低，如 鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、卡片輸入機(jī) 等。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 7 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的輸入輸出設(shè)備種類、型號(hào)、規(guī)格繁多，所以必須屏蔽設(shè)備的物理特性，向用戶提供一個(gè)統(tǒng)一、簡(jiǎn)便的使用接口，實(shí)現(xiàn)所謂的與設(shè)備無(wú)關(guān)性（設(shè)備獨(dú)立性）。 所謂 方便 ，是指用戶能擺脫具體物理設(shè)備的繁瑣規(guī)定的束縛而方便靈活地使用設(shè)備。 所謂 統(tǒng)一 ， 是指對(duì)各種不同的設(shè)備都使用同一界面。例如，在 UNIX系統(tǒng)中從各種輸入設(shè)備輸入信息都使用系統(tǒng)調(diào)用read,向各種輸出設(shè)備傳送信息都使用系統(tǒng)調(diào)用 write. 四 、 設(shè)備獨(dú)立性 (設(shè)備無(wú)關(guān)性 ) 邏輯設(shè)備名： 用戶自己指定的設(shè)備名（設(shè)備類 相對(duì)號(hào)）。 物理設(shè)備名 ：系統(tǒng)提供的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)名稱（絕對(duì)號(hào)）。 (一 )設(shè)備獨(dú)立性： 用戶在編制程序時(shí)使用的設(shè)備與實(shí)際使用的設(shè)備無(wú)關(guān)，用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 8 一個(gè)程序應(yīng)該獨(dú)立于分配給它的某種類型的具體設(shè)備。 1）保護(hù)程序不會(huì)因?yàn)槟骋慌_(tái)物理設(shè)備發(fā)生故障或已分配給其它程序而失效； 2）使操作系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)時(shí)總的設(shè)備配置情況自由地分配適當(dāng)類型的設(shè)備。 一個(gè)程序應(yīng)該盡可能與它所使用的 I/O設(shè)備類型無(wú)關(guān)。 指在 I/O信息時(shí)，可以從不同類型的設(shè)備上 I/O，若要改變?cè)O(shè)備的類型，程序只需做很少的修改。 (二 )設(shè)備獨(dú)立性的類型： 邏輯設(shè)備名 物理設(shè)備名 設(shè)備管理 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 9 (三 )設(shè)備管理分為兩層： 1）輸入輸出控制系統(tǒng) 它與用戶相互交互，完成設(shè)備的分配、調(diào)度并向程序員提供一個(gè)統(tǒng)一的編程接口，實(shí)現(xiàn)了邏輯設(shè)備向物理設(shè)備的轉(zhuǎn)換。 2）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 它直接與設(shè)備打交道，控制設(shè)備控制器，完成具體的輸入輸出。 實(shí)現(xiàn)設(shè)備無(wú)關(guān)性的一個(gè)好辦法就是采用分層思想，逐層抽象。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 10 數(shù)據(jù)傳輸控制方式 一、 I／ O控制方式 1）循環(huán)測(cè)試 I/O方式； 2） I/O中斷方式； 3） DMA方式； 4）通道方式。 設(shè)備（ I/O）控制器： 是 CPU與 I/O設(shè)備之間的接口，設(shè)備不直接與 CPU進(jìn)行通信，設(shè)備控制器接收從 CPU發(fā)來(lái)的命令，去控制 I/O設(shè)備工作，包括狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 11 CPU與外設(shè)的活動(dòng)本質(zhì)上是異步的，為了實(shí)現(xiàn) CPU與外設(shè)間的信息傳送， CPU必須重復(fù)測(cè)試外設(shè)的狀態(tài)；僅當(dāng)外設(shè)是處在準(zhǔn)備好的狀態(tài)時(shí)， CPU才能與外設(shè)交換信息。 問(wèn)題： 1） CPU的大量時(shí)間消耗在等待輸入輸出的循環(huán)檢測(cè)上，使CPU與外設(shè)串行工作，嚴(yán)重影響了 CPU的使用效率； 2）外設(shè)的使用也不合理 (諸外設(shè)不能并行工作 )； 3）無(wú)法支持多道程序并發(fā)執(zhí)行，整個(gè)系統(tǒng)效率很低。 在早期計(jì)算機(jī)或現(xiàn)代一些簡(jiǎn)單的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中采用循環(huán)測(cè)試傳送方式。循環(huán)測(cè)試傳送是一種用 程序直接控制 I／ O操作的方式 。 1. 循環(huán)測(cè)試 I/O方式； 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 12 2. I／ O中斷方式； 引入中斷技術(shù)后，每當(dāng)設(shè)備完成 I／ O操作時(shí)，便向 CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，通知 CPU進(jìn)行 I/O中斷處理。 這樣， CPU一旦啟動(dòng) 1／ O設(shè)備后便可執(zhí)行其它程序，僅在收到 I／ O中斷請(qǐng)求時(shí)才執(zhí)行其中斷服務(wù)程序，進(jìn)行 I／ O處理。 例如 ,行式打印機(jī)每打印一行約需 60ms,在循環(huán)測(cè)試傳送方式中，大約有 CPU都處于循環(huán)測(cè)試中，在程序中斷 I／ O方式中， CPU僅用 務(wù)程序。其余的 。 操作系統(tǒng) 第五章 設(shè)備管理 13 優(yōu)點(diǎn)： 1）程序中斷傳送方式改善了 CPU的利用率； 2）使 CPU與外設(shè)并行操作。 缺