第五章 I/O管理
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第5章 设备管理
（一） I/O管理概述 1. I/O控制方式 2.软件层次结构
（二）I/O核心子系统 1、I/O调度概念 2、高速缓存与缓冲区 3、设备分配与回收 4、SPOOLing技术
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重点掌握
I/O设备的基本特性 I/O子系统的特性 三种I/O方式 高速缓存与缓冲区 SPOOLing技术
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DMA方式
控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个DMA控 制机构。在DMA控制器的控制下，设备同主存之间可 成批交换数据，不用CPU干预。
DMA控制器组成：主机与DMA控制器的接口；DMA控制器与 块设备的接口；I/O控制逻辑
CPU
内存
主机—控制器接口 控制器与块设备接口
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I/O通道控制方式
I/O通道控制方式的引入
建议
I/O方式 设备控制等
与硬件直接相关的内容，最好结合组成原理复习
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5.1.1 I/O设备
设备分类
使用特性
人机交互类设备：显示器、打印机、键盘、鼠标 存储设备 网络通信设备
传输速率
低速设备 中速设备 高速设备
信息交换的单位
块设备 字符设备
资源分配特性
共享设备 独占设备 虚拟设备
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5.1.3 通道概念
为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来，现代大、中 型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机，并把 这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通道 程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内存与外设 之间成批的数据交换。
通道=I/O处理机
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I/O中断方式
I/O控制器能发中断。
工作过程：
1、发出启动某设备的命令，本进程（A）变为等待状 态，转进程调度，调度另一进程B。
2、输入完成时，控制器发出中断，中断B，通过中断 进入中断处理程序。
3、在中断处理程序中把数据缓冲寄存器中的数取走， 放入内存特定位置M，唤醒等待进程A，中断返回到 B的断点继续执行。
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DMA方式
直接存储器存取控制方式的概念
是指对I/O设备的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作 用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，而不用CPU 的干涉。
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5.2.3 DMA方式
直接存储器存取控制方式的概念
该方式的特点是：① 数据传输的基本单位是数据块，即在CPU 与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块；② 所传送的数据 是从设备直接送入内存的，或者相反； ③ 仅在传送一个或多个 数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在 控制器的控制下完成的。可见，DMA方式较之中断驱动方式， 又是成百倍地减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与 I/O设备的并行操作程度。
Hale Waihona Puke 及吞吐量。例如，从终端输入一个字符的时间约为100 ms，
而将字符送入终端缓冲区的时间小于 0.1 ms。 若采用程序
I/O方式，CPU约有 99.9 ms的时间处于忙—等待中。 采用
中断驱动方式后，CPU可利用这 99.9 ms的时间去做其它事情，
而仅用 0.1 ms的时间来处理由控制器发来的中断请求。 可
count 命令
DR MAR
DC CR
系统总线
I/O 控 制 逻 辑
DMA控制器
…
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直接存储器存取控制
直接存储器存取控制方式的特点
I/O数据传输速度快，CPU负担少。 在DMA方式下，数据的传送方向、存放数据的内存始址及传送数据 的长度等都由CPU控制。每台设备需要配一个DMA控制器。
应继续对该标志进行测试，转2，为0表示输入机已将输入数 据送入控制器的数据寄存器中，转3 3、 把数据从数据缓冲区中读走，并置busy为1。
所谓“程序循环测试”的数据传输方式，就是指用户进程使 用启动设备后，不断地执行测试指令，去测试所启动设备的 状态寄存器。只有在状态寄存器出现了所需要的状态后，才 停止测试工作，完成输入/输出。忙----等待方式
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5.1.2 设备控制器
设备控制器主要负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算 机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，接收从CPU发来 的命令，并控制I/O设备工作，以使CPU从繁杂的设备控制事务中解脱 出来。 设备控制器可分为两类，一类用于控制字符设备的控制器，另一类是 用于控制块设备的控制器。
见，中断驱动方式可以成百倍地提高CPU的利用率。
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分析
同前相比，CPU利用率大大提高。
缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都有一次中断。如 果设备较多时，中断次数会很多，使CPU的计算时间大大减 少。
为减少中断对CPU造成的负担，可采用DMA方式和通道方式。
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4、在以后的某个时刻OS调度要求输入的进程A。A从M 取数处理。
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在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须CPU干预，因
而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需
CPU花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使CPU和
I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率
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程序I/O方式
I/O控制器是OS同硬件之间的接口。它有两个寄存器：数据缓 冲寄存器、控制/状态寄存器。状态控制寄存器有一个标志 忙/闲的标志位busy。
CPU
控 制
控制寄存器
逻
辑
外 部 设
电 路
数据寄存器
备
I/O控制器
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工作过程
以输入为例 1、 把busy置1 2、 反复测试busy，为1表示输入机尚未输完一个字，处理机
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在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的 低速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完 成数据I/O的循环测试中， 造成对CPU的极大浪费。在该 方式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态，就是 因为在CPU中无中断机构， 使I/O设备无法向CPU报告 它已完成了一个字符的输入操作。