【正文】 立于 CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入 /輸出傳輸工作的處理機(jī)，對(duì)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替 CPU對(duì)輸入 /輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與 CPU并行操作。獨(dú)立于設(shè)備的軟件負(fù)責(zé)把設(shè)備的符號(hào)名映射到正確的設(shè)備驅(qū)動(dòng)上 系統(tǒng)如何防止無權(quán)存取設(shè)備的用戶存取設(shè)備呢？ 設(shè)備獨(dú)立的軟件（續(xù) 3） 。在對(duì)塊驗(yàn)證檢查和并證明無錯(cuò)誤時(shí)，再將它復(fù)制到內(nèi)存中 設(shè)備接口（續(xù) 1） ? 接口電路中：多個(gè)寄存器 ? 每個(gè)寄存器有唯一的一個(gè)地址，該地址稱為 I/O端口地址 I/O指令形式與 I/O地址是相互關(guān)聯(lián)的 主要有兩種形式： ? 內(nèi)存映像編址（內(nèi)存映像 I/O模式） ? I/O獨(dú)立編址（ I/O專用指令） 存儲(chǔ)映像編址 ? 分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間與內(nèi)存的地址空間統(tǒng)一編址 ? 主機(jī)把 I/O端口看作一個(gè)存儲(chǔ)單元，對(duì) I/O的讀寫操作等同于對(duì)存儲(chǔ)器的操作 ? 優(yōu)點(diǎn) ? 凡是可對(duì)存儲(chǔ)器操作的指令都可對(duì) I/O端口操作 ? 不需要專門的 I/O指令 ? I/O端口可占有較大的地址空間 ? 缺點(diǎn)：占用內(nèi)存空間 I/O獨(dú)立編址 ? 分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間是完全獨(dú)立的，與內(nèi)存的地址空間沒有關(guān)系 ? 主機(jī)使用專門的 I/O指令對(duì)端口進(jìn)行操作 ? 優(yōu)點(diǎn) ? 外部設(shè)備不占用內(nèi)存的地址空間 ? 程序設(shè)計(jì)時(shí)，易于區(qū)分是對(duì)內(nèi)存操作還是對(duì) I/O端口操作 ? 缺點(diǎn)： 對(duì) I/O端口操作的指令類型少，操作不靈活 ? 例子： 8086/8088，分配給 I/O端口的地址空間 64K，0000H~0FFFFH，只能用 IN和 OUT指令對(duì)其進(jìn)行讀寫操作 直接 I/O（輪詢） 由 CPU負(fù)責(zé)在機(jī)器內(nèi)存與設(shè)備控制器數(shù)據(jù)寄存器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 中斷驅(qū)動(dòng) I/O 為了減少設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序不斷地詢問控制器狀態(tài)寄存器的開銷 當(dāng) I/O操作結(jié)束后，由設(shè)備控制器主動(dòng)通知設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 DMA 通道 I/O控制方式（續(xù) 1） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 控制寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器 設(shè)備控制器 從設(shè)備上讀數(shù)據(jù) … … 數(shù)據(jù) 應(yīng)用程序 系統(tǒng)接口 硬件接口 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ I/O控制方式（續(xù) 2） 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 控制寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器 設(shè)備控制器 從設(shè)備上讀數(shù)據(jù) … … 數(shù)據(jù) 應(yīng)用程序 設(shè)備處理程序 中斷處理程序 設(shè)備狀態(tài)表 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧ ⑧ ⑨ I／ O軟件設(shè)計(jì)的基本思想 —— 分層 ? 把軟件組織成為一系列的層 ? 較低層軟件考慮硬件的特性，并向較高層軟件提供接口 ? 較高層軟件不依賴于硬件，并向用戶提供一個(gè)友好的、清晰的、簡(jiǎn)單的、功能更強(qiáng)的接口 三、 I/O軟件的組成 ／ O軟件的層次 I/O軟件各層的功能 （ 1）用戶進(jìn)程層執(zhí)行輸入輸出系統(tǒng)調(diào)用，對(duì) I／ O數(shù)據(jù)進(jìn)行格式化，為假脫機(jī)輸入／輸出作準(zhǔn)備 （ 2）獨(dú)立于設(shè)備的軟件實(shí)現(xiàn)設(shè)備的命名、設(shè)備的保護(hù)、成塊處理、緩沖技術(shù)和設(shè)備分配 （ 3）設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置設(shè)備寄存器、檢查設(shè)備的執(zhí)行狀態(tài) （ 4）中斷處理程序負(fù)責(zé) I／ O完成時(shí)，喚醒設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程，進(jìn)行中斷處理 （ 5）硬件層實(shí)現(xiàn)物理 I／ O的操作 與設(shè)備密切相關(guān)的代碼放在設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中，每個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理一種設(shè)備類型 每一個(gè)控制器都設(shè)有一個(gè)或多個(gè)設(shè)備寄存器，用來存放向設(shè)備發(fā)送的命令和參數(shù)。例如磁盤，可以按每個(gè)磁道 8扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū) 512個(gè)字節(jié)進(jìn)行格式化。第七章 設(shè)備管理 ? 概述 ? I/O硬件特點(diǎn) ? I/O軟件的組成 ? 有關(guān)技術(shù) ? 設(shè)備處理 I/O管理示意 應(yīng)用程序 文件管理 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 控制寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài)寄存器 設(shè)備控制器 應(yīng)用編程接口 硬件接口 一、概述 I/O的特點(diǎn) CPU與 I/O的速度差別大 → 盡量使兩者交疊運(yùn)行 → 減少由于速度差異造成的整體性能開銷 （ 1） I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 （ 2）操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一： 資源多、雜，并發(fā)，均來自 I/O ? 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 ? 輸入輸出數(shù)據(jù)信號(hào)類型不同 ? 速度差異很大 （ 3）與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng) （ 1）按功能特性分 ? 存儲(chǔ)型設(shè)備 ? 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備） ? 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 設(shè)備的分類 （ 2）按數(shù)據(jù)組織分 塊設(shè)備 以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 傳輸速率較高、可尋址（隨機(jī)讀寫） 字符設(shè)備 以字符為單位存儲(chǔ)、傳輸信息 傳輸速率高、不可尋址 設(shè)備的分類（續(xù) 1） （ 3）按資源分配角度分 獨(dú)占設(shè)備 在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速 I/O設(shè)備（如打印機(jī)，磁帶等） 共享設(shè)備 在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高（如硬盤） 設(shè)備的分類（續(xù) 2） 虛設(shè)備 在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備 目的：將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成多個(gè)用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率 （實(shí)例： SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù) —— 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備） 設(shè)備的分類（續(xù) 3） SPOOLing技術(shù) 為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少，速度慢，不能滿足眾多進(jìn)程的要求，而且在進(jìn)程獨(dú)占設(shè)備期間，設(shè)備利用率比較低而提出的一種設(shè)備管理技術(shù) 另一種資源轉(zhuǎn)換技術(shù) 設(shè)備的分類（續(xù) 4） （ 1）按照用戶的請(qǐng)求，控制設(shè)備的各種操作，完成 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，最終完成用戶的 I/O請(qǐng)求 ? 設(shè)備分配與回收 記錄設(shè)備的狀態(tài) 根據(jù)用戶的請(qǐng)求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路 ? 執(zhí)行 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 ，實(shí)現(xiàn)真正的 I/O操作 ? 設(shè)備中斷處理： 處理外部設(shè)備的中斷 ? 緩沖區(qū)管理： 管理 I/O緩沖區(qū) （ 2）建立 方便 、 統(tǒng)一 的 獨(dú)立于設(shè)備 的接口 方便性：向用戶提供使用外部設(shè)備的方便接口，使用戶編程時(shí)不考慮設(shè)備的復(fù)雜物理特性 統(tǒng)一性：對(duì)不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 邏輯設(shè)備與物理設(shè)備、屏蔽硬件細(xì)節(jié)（設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，錯(cuò)誤處理，不同 I/O的差異性） 設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)（續(xù) 1） 設(shè)備獨(dú)立性（設(shè)備無關(guān)性） 目的： 提高操作系統(tǒng)的 可適應(yīng)性 和 可擴(kuò)展性 從用戶角度： 用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換，并實(shí)施 I/O操作 從系統(tǒng)角度： 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn) I／ O軟件時(shí)， 除了直接與設(shè)備打交道的低層軟件之外，其他部分的軟件不依賴于硬件 好處： 設(shè)備分配時(shí)的靈活性 易于實(shí)現(xiàn) I/O重定向 （