第5章 设备管理 第2课时 IO设备管理系统的组成《操作系统原理课件（第2版）》 同步教学（电子工业出版社）

操作系统原理(第2版） 第5章 设备管理 设备又称I/O（输入/输出）设备，是指计算机系统中除CPU和内存之外的所有外部设备。现代计算机系统配备了大量的外部设备用于信息的输入和输出。 管理好I/O设备，完成用户的I/O请求，提高I/O的速度，以及改善I/O设备的利用率是操作系统的基本任务。 操作系统中有专门实现设备管理的代码，这部分代码称为设备管理程序。由于I/O设备种类繁多，且它们的特性和操作方式往往差异很大，因此设备管理程序是操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的功能模块。 第5章 设备管理 5.1 设备管理概述 5.2 I/O设备管理系统的组成 5.3 I/O设备控制方式 5.4 缓冲技术与虚拟设备技术 5.5 设备的分配与回收 5.6 磁盘存储器管理 3. 通道 当主机配置的外部设备很多时，仅有设备控制器是远远不够的，CPU的负担依然很重。于是在CPU和设备控制器之间又增设了通道，这样可使一些原来由CPU处理的I/O任务转交给通道来承担，从而把CPU从繁忙的I/O任务中解脱出来以提高系统的工作效率。 通道又称I/O处理器，是一个独立于CPU的专管I/O控制的处理器，它控制设备与内存直接进行数据交换。通道具有执行I/O指令的功能，并通过执行通道程序来控制I/O操作。但I/O通道又与一般的CPU不同，一方面由于通道硬件较为简单，所以指令类型也较为单一，执行的指令也只与I/O操作有关；另一方面是通道没有自己的内存，它所执行的通道程序存放在内存中，即通道与CPU共享内存。 5.2 I/O设备管理系统的组成 （1）通道及通道与CPU之间的通信 CPU与通道之间的关系是主从关系，即CPU是主设备，通道是从设备。这样，采用通道方式实现数据传输的过程是：当运行的程序要求传输数据时，CPU向通道发出I/O指令，命令通道开始工作，此时，CPU就可以转去执行其他的程序。通道接收到CPU的I/O指令后，从内存中取出相应的通道程序完成I/O操作。当I/O操作完成（或出错）时，通道以中断方式中断CPU正在执行 的程序，请求CPU 对此次数据传输进 行善后处理。 I/O系统的三级 控制结构见右图： 5.2 I/O设备管理系统的组成 一台计算机中可以配置多个通道，一个通道可以连接多个设备控制器，一个设备控制器可以连接多台同类型的设备。 多通路I/O系统的结构： 5.2 I/O设备管理系统的组成 5.2 I/O设备管理系统的组成 （2）通道的类型 ① 字节多路通道。含有多个非分配型子通道，每个子通道连接一台I/O设备，子通道以字节为单位按时间片轮转方式共享主通道。每次子通道控制外部设备交换一个字节数据后，便立即让出字节多路通道，以便轮转让另一个子通道使用。由于数据传送是以字节为单位进行的，因此I/O效率不高。字节多路通道多用来连接低速或中速设备，如打印机等。 ② 数组选择通道。按成组方式进行数据传送，每次以数据块为信息单位传送一批数据，因此信息传输速率很高，主要用于连接高速外部设备，如磁盘机、磁带机等。尽管数组选择通道可以连接多台设备，但它在一段时间内只能运行一个通道程序，即只能控制一台设备进行数据传输，因此一段时间内它只能选择为一台设备服务，数组选择通道的利用率很低。 ③ 数组多路通道。将数组选择通道的高传输率优点与字节多路通道分时并行操作的优点结合起来，就形成了数组多路通道。数组多路通道含有多个非分配型子通道，可以连接多种高速外部设备以成组方式进行数据传送，实现多个通道程序、多种高速外部设备并行操作。这种通道主要用来连接中、高速块设备，如磁带机等。 5.2.2 I/O系统的软件组织 为了实现设备无关性的目标，操作系统把I/O软件组织由下至上分成以下层次：中断处理程序、设备驱动程序、与设备无关的I/O软件、用户级的I/O软件。 I/O软件的层次结构图： 5.2 I/O设备管理系统的组成 I/O系统的软件组织 1. 中断处理程序 （1）检查CPU响应中断的条件是否满足； （2）CPU响应中断后立即关中断； （3）保存被中断进程的CPU现场； （4）分析中断原因，转入相应的设备中断处理程序； （5）执行中断处理程序； （6）退出中断处理，恢复被中断进程的CPU现场或调度新的进程执行； （7）开中断，CPU继续执行。 I/O系统的软件组织 2. 设备驱动程序 设备驱动程序主要负责启动指定设备，不同类型的设备有不同的设备驱动程序。系统完成