3、可虚拟设备
可虚拟设备是指一台物理设备采用虚拟
技术后，可变成多台逻辑上的所谓虚拟 设备。 一台可虚拟设备是可共享的设备，可以 将它同时分配给多个进程使用，并对这 些访问该设备的先后次序进行控制。
SPOOLing技术 SPOOLing 技术是在批处理操作系统时代 引入的，即所谓假脱机输入输出技术。把这 种技术用于对设备的使用实质就是对输入／ 输出数据成批处理。
2) 按信息交换的单位分类
块设备(Block Device)，这类设备用于存储信息。
由于信息的存取总是以数据块为单位， 故而得名。 典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512 B~4 KB。 磁盘设备的基本特征是: 1)传输速率较高，通常每秒钟为几兆位； 2) 可寻址，即对它可随机地读/写任一块； 字符设备(Character Device)，用于数据的输入和 输出。 其基本单位是字符， 故称为字符设备。 如交互式终端、打印机等。传输速率低。字符设 备在I／O时，常采用中断驱动方式。
一、程序直接控制方式
CPU直接控制I/O操作的全过程，包括发送 读写命令、传输数据、测试设备状态。 设备控制器接收到相应的命令后，将I/O 状态寄存器的相应位置上。随着操作的执 行更改状态位，由CPU执行相应指令读取 I/O完成状态。 在该方式中，CPU还负责从主存中取出需 要输出的数据，送到设备控制器寄存器； 或从设备控制器寄存器取出输入数据，将 输入数据存入主存。
连接CPU、内存、设备控制器和I/O设备模型
处理机 内存 显卡
PCI 总 线 控 制器 外设控制 器 外 设 IDE 总 线 控 制器 控 制 器 控 制 器 磁 盘
光 盘
每个控制器都有一些用来与CPU通讯的I/O 寄存器。操作系统通过向这些寄存器写命令 字来实现I/O功能。
键盘 硬盘 060 - 063 320 – 32F
CPU向设备控 制器发读命 令
读设备控制器 状态寄存器
检查状态 未OK OK 从设备控制器 读字数据到 CPU寄存器中
出错
未OK 该块读完？ OK
将该字写 入内存
下一 指令
缺点：
在这种方式中CPU的大量时间用在了等
待输入输出的循环测试上，使主机不能 充分发挥效率，外设也不能得到合理使 用，整个系统效率很低。
Spooling技术可以实现设备的（
）分
配。 A.独占
B.虚拟
C.物理
6.3.3.
缓冲技术
虽然中断、DMA和通道控制技术使得系统中设备和 设备、设备和CPU等得以并行工作，但是外围设备 和CPU的处理速度不匹配的问题是客观存在的。外 围设备和CPU处理速度不匹配的问题极大地制约了 计算机系统性能的进一步提高和限制了系统的应 用范围。
对于有些设备必须进行独占式使用，如打印机，通常往打 印机输出的数据不是独立的字符行，而是一批关联的字符 行。当输出这批关联字符行时，必须独占打印机设备，才 能使关联的字符行打印出来。如果在进程执行中一边生成 输出结果一边调用写打印机系统调用输出，则打印机在独 占期间因为等输出结果而未被充分利用。因此必须避免边 生成边打印，可以将输出数据边生成边写入文件中，文件 相当于虚拟打印设备，待全部输入完成，在独占打印机把 文件内容从打印机上打印出来。
第六章 设备管理
管理和控制所有的外部设备（I/O设备）， 是操作系统的主要功能之一。 本章介绍： 外部设备分类及控制方式 设备使用方法、I/O子系统的层次结构及缓 冲技术 辅存及磁盘请求调度技术
6.1 I/O 系 统
1、 I/O设备的类型
1) 按传输速率分类
低速设备：这是指其传输速率仅为每秒钟几个
核 心 态 运 行
设备无关 的I/O 设备驱动及 中断处理 硬件
设 备 管 理 子 系 统
逻辑结构图
一、用户层I/O
实现与用户交互的接口，用户可直接调 用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函 数，对设备进行操作。 它将所有的设备看作逻辑资源，为用户进 程提供各类I/O函数。用户以设备标识符和 一些简单的函数来使用设备，如打开、关闭、 读、写等。 如C库中的函数open(); read(); write(); close()等。
共享设备：它是指在一段时间内允许多个进程同时访 问的设备，当然，对于每一时刻而言，该类设备仍然 只允许一个进程访问。 虚拟设备：它是指通过虚拟技术将一台独占设备变换 为若干台逻辑设备，供若干个用户(进程)同时使用， 通常把这种经过虚拟技术处理后的设备，称为虚拟设 备。
2.设备控制器（I/O部件） 设备控制器是计算机中的一个实体，其 主要职责是控制一个或多个I/O设备，以实 现I/O设备与和计算机之间的数据交换。它 是CPU与I/O设备的接口，它接收从CPU发来 的命令，并去控制I/O设备工作。 操作系统一般只与控制器打交道，而非 设备本身。 早期CPU是直接控制外部设备的，在引入 设备控制器之后，I/O指令功能加强，才将 CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。
二、设备无关的I/O（设备独立性软件）
设备独立性的概念 设备独立性，也称为设备无关性。 其基本含义是： 应用程序独立于具体使用 的物理设备。I/O系统中有许多不同种类的 设备，作为程序员，只需要知道如何使用这 些资源来完成所需的操作，而无需了解设备 的有关具体实现细节。
这一层的基本功能：向上层提供统一的 系统调用接口，对下通过设备驱动程序接口 调用设备驱动程序。主要任务： • 设备命名及与设备驱动程序的映射。在 UNIX中，如/dev/fd0唯一地确定了一个 inode数据结构，其中包含了主设备号，通 过主设备号可以找到相应的设备驱动程序。 • 统一命名：在系统中对各类设备采取预先 设计的、统一的逻辑名称进行命名，所有软 件都以逻辑名称访问设备。
打印机
软盘
378 – 37F
3F0 – 3F7
彩色显示器
3D0 – 3DF
IBM PC的I/O地址
6.2 I/O控制方式
所谓I/O操作的控制方式也就是外围设备
和内存之间的数据传送控制方式，经历 了程序直接控制方式，中断控制方式， DMA方式和通道方式四种。 它们之间的不同主要在与I/O交互过程中 CPU的干预程度。
字节至数百个字节的一类设备。典型设备有键 盘、 鼠标器、语音的输入和输出等设备。 中速设备：这是指其传输速率在每秒钟数千个 字节至数万个字节的一类设备。典型设备有: 行式打印机、激光打印机等。 高速设备： 这是指其传输速率在数百千个字节 至数十兆字节的一类设备。 典型的高速设备有 磁带机、 磁盘机、 光盘机等。
3) 按设备的共享属性分类
这种分类方式可将I/O设备分为如下三类： 独占设备：它是指在一段时间内只允许一个用户(进程) 访问的设备，即临界资源； 因而，对多个并发进程而言，应互斥地访问这类设备， 系统一旦把这类设备分配给某进程后，便由该进程独 占，直至用完释放，应当注意，独占设备的分配有可 能引起进程死锁。
在应用程序中， 使用逻辑设备名称来请
求使用某类设备；而系统在实际执行时 ， 还必须使用物理设备名称。因此，系 统须具有将逻辑设备名称转换为某物理 设备名称的功能，这非常类似于存储器 管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的 概念。
逻辑设备名
/dev/tty /dev/printer
物理设备名 驱动程序入口地址
3 5 1024 2046
…..
…..
…..
三、设备驱动程序
• 设备驱动程序 包括了所有与设备相关的代码，其功能 是从与设备无关的软件中接收I/O请求并执 行。与硬件直接相关，负责具体实现系统对 设备发出的操作命令，驱动I/O设备工作的 驱动程序。
四、中断处理程序
• 中断处理

用于保存被中断进程的CPU环境，转 入相应的中断处理程序进行处理，处理 完后恢复被中断进程的线程后返回被中 断进程。中断处理层的主要工作有：进 行进程上下文的切换，对处理中断信号 源进行测试，读取设备状态和修改进程 状态等。
6.3.2. 设备的使用方法
1、独占式使用设备 所谓独占式使用设备是指在一段时间内 只允许一个用户（进程）访问的设备。通 常以一次设备使用过程为单位使用设备。 在申请设备时，如果设备空闲，就将其 独占，不再允许其它进程申请使用，一直 等到该设备被释放，才允许被其它进程申 请使用。
2、分时共享式使用设备 独占式使用设备时，设备利用率很低。 分时共享式设备是指在一段时间内允许 多个进程同时访问的设备，当然，对于每一 时刻而言，该类设备仍然只允许一个进程访 问。
该块读完？
OK
下一 指令
缺点：
虽然中断的引入改善了中央处理机的利
用率，但I/O操作毕竟还是由CPU控制的， 此时每传输一个字或字符，往往就要做 一次中断处理，每个字的数据传输都必 须经过CPU寄存器转发。由此可见，当 I/O设备很多时，CPU可能完全陷入I/O 处理中。
三、DMA方式 前两种方式的缺陷： • I/O的传输速率受CPU测试或中断响应 的速度限制 • CPU为管理I/O耗费大量时间。 DMA（直接内存存取）负责完成整个I/O操 作，无需再经CPU寄存器转发，并在全部传 输结束后向CPU发中断信号。 CPU向DMA部件发送I/O命令后，即可进行 其他工作。当传送完成后，DMA部件向CPU发 中断信号。因此仅在数据块传送的开始和结 束涉及到CPU。
O通道控制方式
6.3 设备I/O子系统
6.3.1 I/O层次结构
通常，操作系统将设备管理系统划分并组 织成四个层次： • 用户层I/O • 设备无关的I/O（设备独立性软件） • 设备驱动程序 • 中断处理程序
用户层I/O
系统调用接口，设备无关的操作系统软件 设备驱动及中断处理 硬件
用户进程 用户层I/O
设备相关系统调用简介
申请设备。该系统调用中有参数说明了
要申请的设备名称，操作系统处理该系 统调用时，会按照设备特性（是独占还 是共享式使用）及设备的占用情况来分 配设备，返回申请是否成功标志。 将数据写入设备。 从设备读取数据。 释放设备。这是申请设备的逆操作。