第五章 设备管理
5. 1 5. 2 5. 3 5. 4 5. 5 5. 6 概述 I/O软件 I/O系统硬件 有关技术 设备处理 典型外部设备
5.1 概述
5.1.1 I/O管理的重要性
1. I/O设备就像计算机系统的五官和四肢
2. I/O性能经常成为系统性能的瓶颈
(1)CPU性能不等于系统性能, 响应时间也是一个重要因素
• 并行性
• 均衡性（使设备充分忙碌）
4. 保证在多道程序环境下，当多个进程 竞争使用设备时，按一定策略分配和 管理各种设备，使系统能有条不紊地 工作。 5.保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、 不被破坏的、保密的。
6.设备独立性
用户在编制程序时，使用逻辑设备名，
由系统实现从逻辑设备到物理设备
设备）
4.从资源分配角度分
独占设备—在一段时间内只能有一个进程使用 的设备，一般为低速 I/O 设备。（如打印机， 磁带等）
共享设备—在一段时间内可有多个进程共同使
用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，
其资源利用率高。（如硬盘）
虚拟设备—在一类设备上模拟另一类设备， 常用共享设备模拟独占设备，用高速设 备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚 拟设备。
4. 不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较 高层软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺
寸，这正是设备独立软件的一个任务。它可将
若干扇区合成一个逻辑块。这样，较高层的软 件只与抽象设备打交道，独立于物理扇区的尺 寸而使用等长的逻辑块。 5.缓冲技术
6.设备分配
7.出错处理
5.2.5 用户空间的I/O软件
目的：将慢速的独占设备改造成多个用户 可共享的设备，提高设备的利用率
（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 ——用硬盘模拟输入输出设备）
5.从程序使用角度分
逻辑设备
物理设备
6.按数据传输率分
高速设备
低速设备
5.1.3 设备管理的目标和任务
1.按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成
I/O 设备与内存之间的数据交换（包括设备分
(2)CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的进程 (3)进程切换多，系统开销大
3. 操作系统庞大复杂的原因是：资源 多、杂，并发，均来自I/O
4.理解I/O的工作过程与结构是理解操 作系统的工作过程与结构的关键 5.I/O技术很实用
6. 与其他功能联系密切，特别是文件 系统
5.1.2 设备的分类
配与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓
冲区管理），最终完成用户的I/O请求
设备管理功能： （1）设备分配与回收
记录设备的状态，根据用户的请求和设备 的类型，采用一定的分配算法，选择一条数 据通路 。 （2）建立统一的独立于设备的接口
（3）完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作
（4）处理外部设备的中断处理
独立于硬件的特性，较高层软件则
要向用户提供一个友好的、清晰的、
简单的、功能更强的接口。
5.2.1
I/O概念是设备 独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上 文件的程序时，无需为不同的设备类型 而修改程序就可以使用。 与设备独立性密切相关的是统一命名这 一目标。一个文件或一个设备的名字只 应是一个简单的字符串或一个整数，不 应依赖于设备。
1.按使用特性分
.存储型设备
. 输入输出型设备（交互型设备）
.终端设备
.脱机设备
2.按数据组织分 块设备—以数据块为单位存储、 传 输信息，如磁盘，磁带。 字符设备—以字符为单位存储、传输 信息，如打印机，终端。
3.按外部设备的从属关系分
系统设备—指操作系统生成时，登记在系统中 的标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备—指在系统生成时，未登记在系统中 的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用 户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实 施管理。（如 A/D ， D/A 转换器， CAD 所用专用
（5）管理I/O缓冲区
2. 向用户提供使用外部设备的方便接口，使 用户 摆脱繁琐的编程负担
• 方便性
• 友好界面
• 透明性
逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备 的物理细节，错误处理，不同I/O的差异性）
3. 充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）
提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工
作能力，充分利用资源，提高资源利用率。
5.2.4 与设备无关的软件
虽然I/O软件中一部分是设备专用的，
但大部分软件是与设备无关的。设备
驱动程序与设备独立软件之间的确切
界限是依赖于具体系统的。
1.独立于设备的软件的基本任务是实现所 有设备都需要的功能，并且向用户级软 件提供一个统一的接口。
2.如何给文件和设备这样的对象命名是操 作系统中的一个主要课题。独立于设备 的软件负责把设备的符号名映射到正确 的设备驱动上。 3.设备保护 系统如何防止无权存取设备的用户存取 设备呢？
（实际设备）的转换
用户能独立于具体物理设备而方便的
使用设备
5.1.4 I/O技术 I/O控制方式：程序I/O方式、中断方式、 通道方式、DMA方式。这也是数据传送控 制的四种方式。 I/O控制功能： • 解释用户的I/O系统调用； • 设备驱动； • 中断处理。
5.2
I/O软件
I/O 软件的基本思想是按分层的思想 构成，较低层软件要使较高层软件
尽管大部分 I/O 软件都包含在操作系统中，但仍有 一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程，甚 至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，包括 I/O系统调用，通常由库过程实现。
这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参数 放在合适的位置，由其它的I/O过程实现真正的操作。
（ 1 ）用户进程层执行输入输出系统调用，对 I ／O数据进行格式化，为假脱机输入／输出作 准备 （2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备 的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配
出错处理是 I/O 软件的另一个目标。一 般来说，数据传输中的错误应尽可能 地在接近硬件层上处理
最后一个问题是可共享设备和独占设备 的处理问题
5.2.2 中断处理
每个进程在启动一个I/O操作后阻塞
直到I/O操作完成并产生一个中断
由操作系统接管CPU后唤醒该进程为止 5.2.3 设备驱动 与设备密切相关的代码放在设备驱动程序 中，每个设备驱动程序处理一种设备类 型。