操作系统6_输入输出系统

操作系统6_输入输出系统

1. I/O功能、模型接口

• I/O系统管理的主要对象：I/O设备、设备控制器

• 主要任务

  • 完成用户提出的I/O请求
  • 提高I/O速率以及设备的利用率
  • 为高层的进程使用设备提供方便手段

• I/O系统的基本功能

  • 隐藏设备的物理细节：收发数据的速度、传输方向、表示形式等
  • 与设备无关性
  • 提高处理机和I/O设备的利用率：I/O设备并行操作；CPU与设备并行操作；减少CPU干预设备操作的概率
  • 对I/O设备进行控制：轮询的可编程I/O方式；中断可编程I/O方式；直接存储器访问方式；1/O通道方式
  • 对I/O设备的共享：独占设备；共享设备
  • 错误处理

• I/O系统的层次结构

  

• I/O系统接口

  • 块设备接口
    • 如磁盘、光盘等
    • 数据存取以块为单位进行，传输速率较高，数MB-数十MB/每秒
    • 采用DMA方式，可寻址
  • 流设备（字符设备）
    • 如键盘、打印机等
    • 数据存取和传输以字符为单位，传输速率较低，几个字节-数干字节/每秒
    • 采用中断驱动方式，不可寻址，顺序存取，多数属独占型
  • 网络设备：数据传输以数据包为单位

2. I/O设备及控制器

2.1 I/O设备

• I/O设备是指执行I/O操作的机械部分
• 分类
  • 按传输速率分类
    • 低速设备：（几十-几百）/秒，如键盘、鼠标等
    • 中速设备：（几千-几万）/秒，如打印机等
    • 高速设备：（几百千-几十兆）/秒，如磁盘机等
  • 按信息交换的单位分类
    • 块设备（DMA）
    • 字符设备（中断）
  • 按设备的共享属性分类
    • 独占设备
    • 共享设备
    • 虚拟设备
  • 按使用特性分类
    • 存储设备：外存储器
    • I/O设备：输入设备、输出设备
    • 交互式设备：显示器

2.2 设备与控制器接口

设备不直接与CPU通信，而是与设备控制器通信

2.3 设备控制器

• 本质

  • 执行控制I/O的电子部件，也称为适配器
  • 存在形式：印刷电路卡（控制卡、显卡、网卡）

• 基本功能

  • 接收和识别命令
  • 数据交换
  • 标识和报告设备的状态
  • 地址识别
  • 数据缓冲
  • 差错控制

• 组成

  

2.4 通道

• 引入：虽然在CPU和I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机所配置的外设很多时，CPU的负担仍然很重，为此，在CPU和设备控制器之间又增设了I/O通道

• I/O通道

  • I/O通道是一种特殊的处理机
  • 它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道（I/O）程序来控制I/O操作
  • I/O通道又与一般的处理机不同
    • 其指令类型单一，由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令
    • 通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，即是通道与CPU共享内存

• 通道类型

  • 字节多路通道

    

  • 数组选择通道

    • 字节多路通道不适于连接高速设备
    • 数组选择通道按数组方式进行数据传送
    • 特点：
      • 可以连接多台高速设备
      • 只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直至该设备传送完毕释放该通道
      • 中通道利用率很低

  • 数组多路通道

    • 数组选择通道传输速率高，但每次只允许一个设备传输数据
    • 数组多路通道：
      • 将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道
      • 它含有多个非分配型子通道，既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率
      • 被广泛地用于连接多台高、中速的外围设备
      • 其数据传送是按数组方