第六章设备管理
6.1 概述
6.2 I/O软件的组成
6.3 I/O硬件特点
6.4 有关技术
6.5 设备处理
6.6 典型外部设备
6.1 概述
6.1.1 I/O管理的重要性
1.没有 I/O设备的计算机就像一个没有轮子的汽车
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?
(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之一是：
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
6.1.2 设备的分类
1.按使用特性分存储型设备输入型设备 （ 外设?主机 ）
输出型设备 （ 主机?外设 ）
输入输出型设备
2.按数据组织分块设备以数据块为单位存储,传输信息字符设备以字符为单位存储,传输信息
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所用专用设备 ）
4,按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设备
（ 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 ）
（ 为 了 提 高 资 源 利 用 率,如
SPOOLing技术就使用了虚设备技术 —— 用硬盘模拟输入输出设备 。 ）
SPOOLing技术为解决独立设备数量少,速度慢,
不能满足众多进程的要求,而且在进程独占设备期间,设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术
5.从程序使用角度分逻辑设备物理设备
6.1.3 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
（ 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
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
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,使系统能有条不紊的工作
5,与设备无关性 （ 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 （ 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用户申请使用设备时,只需要指定设备类型,而无须指定具体物理设备,系统根据当前的请求,
及设备分配的情况,在相同类别设备中,选择一个空闲设备,并将其分配给一个申请进程统一性：
对不同的设备采取统一的操作方式,在用户程序中使用的是逻辑设备优点：
设备忙碌或设备故障时,用户不必修改程序
改善了系统的可适应性和可扩展性
6.2 I/O软件的组成
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
6.2.1 I／ O软件的目标在设计 I／ O软件时的一个关键概念是设备独立性 。 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
6.2.2 中断处理程序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
6.2.3 设备驱动程序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每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器,用来存放向设备发送的命令和参数 。 设备驱动程序负责释放这些命令,并监督它们正确执行一般,设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求,并执行这个请求在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后,系统有两种处理方式,
多数情况下,执行设备驱动程序的进程必须等待命令完成这样,在命令开始执行后,它阻塞自已,直到中断处理时将它解除阻塞为止 。 而在其它情况下,
命令执行不必延迟就很快完成
6.2.4 设备独立的软件虽然 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？
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
6.2.5 用户空间的 I／ O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臵,由其它的 I／ O过程实际实现真正的操作
（ 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
（ 3） 设备驱动程序设臵设备寄存器,检查设备的执行状态
（ 4） 中断处理程序负责 I／ O完成时,唤醒设备驱动程序进程,进行中断处理
（ 5） 硬件层实现物理 I／ O的操作
6.3 I/O硬件特点
6.3.1 设备组成
I／ O设备一般由机械和电子两部分组成把这两部分分开处理,以提供更加模块化,更加通用的设计
1.设备机械部分是设备本身
2.设备控制器电子部分叫做设备控制器或适配器 。
在小型和微型机中,它常采用印刷电路卡插入计算机中控制器卡上通常有一个插座,通过电缆与设备相连控制器和设备之间的接口是一个标准接口,它符合 ANSI,IEEE或
ISO这样的国际标准关注点：对该硬件如何进行程序设计,不考虑设备内部如何工作程序员：软件接口即硬件所接受的命令,它所完成的功能,报回的错误
6.3.2 设备接口一次完整的 I/O传送过程,典型地由一长列低级信号组成,这些信号启动设备所执行的操作,并通过测试设备状态来监控设备操作的进展一个 I/O过程由四步组成：
准备启动测试和等待结果检查和错误处理通过对设备接口寄存器组的读写完成
6.3.3 设备连接模式指 I/O设备与 CPU之间的连接方式,
亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式 。 在一个确定的连接模式下,从 I/O设备到 CPU间的所有连接成分构成了一条 I/O路径
（ I/O链 ）
1.设备与主机间最基本的连接方式四个要素：
设备接口形式
I/O指令形式
I/O地址空间分配及译码连线问题
(1)设备接口形式
* 端口地址译码
* 按照主机与设备的约定格式和过程接受或发送数据和信号计算机 设备设备 计算机
* 将计算机的数字信号转换为机械部分能识别的模拟信号,或反过来
* 实现一些诸如设备内部硬件缓冲存储,数据加工的提高性能或增强功能的任务
(2)I/O指令形式与 I/O地址是相互关联的,主要有两种形式：
内存映像 I/O模式
I/O专用指令要考虑的几个问题：
设备完成技术：系统如何知道设备的一次 I/O操作是否完成？
对 CPU编程的 I/O技术,CPU必须亲自完成 I/O的启动与完成的处理,
亲自执行所有数据在内存和设备之间的实际物理传送进一步改善：
使 CPU利用率尽可能不被 I/O降低使 CPU尽可能摆脱 I/O
提高 I/O本身的绝对速度
减少或缓解速度差距?
使 CPU不等待 I/O?
提高设备利用率
在设备与主机的硬连接上,引入总线,节省连线并提供配臵扩充与改变时的灵活性；引入控制器,
扩大设备与主机间的相互适用范围小结：控制器与设备的分离,循环测试到中断,对 CPU编程式的 I/O到 DMA,联机 I/O
到假脱机
2.总线将计算机系统中的各个子系统
（ CPU,内存,外设等 ） 相互连接,且连接是共享的好处：低成本 （ 一线多用 ）
灵活性
（ 易于增加设备,便于两个计算机系统之间共享外设 ）
总线的缺点：
本身形成了通讯瓶颈,限制 I/O
吞吐量总线分类：
数据总线,地址总线,控制总线
3.控制器 （ 适配器 ）
电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯
CPU与控制器间通讯：
单总线模型 （ 微机,小型机 ）
多总线模型 （ 中,大型机 ）
每个控制器备有几个寄存器与 CPU
通讯 。
两种模式：
1,存储器映像 I/O,寄存器是内存地址空间的一部分
2,专用 I/O地址空间,每个控制器分配其中的一部分 （ IBM PC）
操作系统将命令写入控制器寄存器中,以实现输入／输出例如,IBM PC的软盘控制器可接收 15条 命 令,READ,WRITE、
FORMAT,SEEK,RECALIBRATE，
命令可以带参数 。 它们被一起送入控制器的寄存器中当控制器接受一条命令后,可独立于 CPU完成指定操作,CPU可以转去执行其它运算 。 命令完成时,
控制器产生一个中断,CPU响应中断,控制转给操作系统 。 CPU
通过读控制器寄存器中的信息,
获得操作结果和设备状态控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口 。 例如磁盘,可以按每个磁道 8扇区,每个扇区 512个字节进行格式化 。 然而,实际从驱动器出来的却是一连串的位流,以 一 个 头 标
（ preamble） 开始,然后是一个扇区的 4096位 （ 512× 8）,最后是检查和或错误校验码 （ Error— C一 C,ECC） 。
头标是在对磁盘格式化时写上的,它包括柱面和扇区数,扇区的大小和类似的一些数据控制器的任务是把串行的位流转换为字节块,并进行必要的错误修正 。 首先,控制器按位进行组装,然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块 。 在对块验证检查和并证明无错误时,
再将它复制到主存中
4.设备完成技术一次 I/O 传送过程：
准备?传送?后处理例：一个打印机有两个 I/O设备寄存器状态寄存器数据寄存器设备的一次操作是否完成？
测试设备的一个硬件信号几种测试模式：
（ 1） I/O测试指令
（ 2） 中断技术
5.DMA
数据在内存与 I/O设备间的直接成块传送
CPU在开始时向设备发,传送一块,命令,结束时进行相应处理,
实际操作由 DMA硬件直接完成
DMA需要附加的辅助硬件,且该
DMA硬件属于设备的电子部分的功能 （ 由控制器实现 ） 。 许多控制器,尤其是块设备控制器都支持 DMA
以读磁盘为例,说明 DMA怎样工作不用 DMA时,磁盘如何读：首先,控制器从磁盘驱动器串行地一位一位地读一个块,直到将整块信息放入控制器的内部缓冲区中 。 其次,它做和校验计算,以核实没有读错误发生 。 然后控制器产生一个中断 。
CPU响应中断,控制转给操作系统 。
当操作系统开始运行时,它重复地从控制器缓冲区中一次一个字节或一个字地读这个磁盘块的信息,并将其送入内存中采用 DMA方式时,允许 DMA控制器接管地址线的控制权,直接控制 DMA控制器与内存的数据交换 。 从而使磁盘设备与储器之间的数据传送不需要
CPU介入,因而减轻了 CPU负担当采用 DMA时,除向控制器提供要读块的磁盘地址外,还要向控制器提供两个信息：要读块送往内存的起始地址和要传送的字节数寄存器当 DMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时,每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时,DMA控制器取代 CPU,接管地址总线的控制权,并按照 DMA控制器中的存储器地址寄存器内容把数据送入相应的内存单元中 。 然后,
DMA硬件自动地把传送字节计数器减 1,把存储器地址寄存器加 1,并恢复 CPU对内存的控制权,
DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程,
直到传送字节计数器为,0”时,向 CPU产生一个中断信号 。 当操作系统接管 CPU控制权时,
再无需做块复制的工作了 。
CPU向控制器发出启动 DMA通知和有关参数控制器向内存发出询问请求访问内存（读、写）
计数器减 1
结束否发中断
N
Y DMA的实现流程
6.通道 （ I/O处理机 ）
是可以执行程序的,负责且只负责操纵输入输出设备的,功能简单专用的,低速低性能的,造价低的专用处理机 。 负责管理设备与内存之间的数据传送的一切工作
6.4 有关技术
6.4.1 通道技术
1.定义：通道是独立于 CPU的专门负责数据输入 /输出传输工作的处理机,对外部设备实现统一管理,代替 CPU对输入 /输出操作进行控制,从而使输入,输出操作可与 CPU并行操作 。
可以执行通道程序
2.引入通道的目的为了使 CPU从 I/O事务中解脱出来,
同时为了提高 CPU与设备,设备与设备之间的并行工作能力
3,分类
1) 字节多路通道字节多路通道以字节为单位传输信息,它可以分时地执行多个通道程序 。 当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后,通道硬件就控制转去执行另一个通道程序,控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速
I/O设备 。 如打印机,终端 。
以字节为单位交叉传输,当一台传送一个字节后,立即转去为另一台传送字节
2)选择通道选择通道是以成组方式工作的,
即每次传送一批数据,故传送速度很高 。 选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序,只允许一台设备进行数据传输当这台设备数据传输完成后,再选择与通道连接的另一台设备,
执行它的相应的通道程序主要连接磁盘,磁带等高速 I/O
设备选择通道
3)成组多路通道它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点 。 它先为一台设备执行一条通道指令,然后自动转接,
为另一台设备执行一条通道指令主要连接高速设备这样,对于连接多台磁盘机的数组多路通道,它可以启动它们同时执行移臂定位操作,然后,按序交叉地传输一批批数据 。 数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现
4.硬件连接结构通道：执行通道程序,向控制器发出命令,并具有向 CPU发中断信号的功能 。 一旦 CPU发出指令,
启动通道,则通道独立于 CPU工作 。 一个通道可连接多个控制器,
一个控制器可连接多个设备,形成树形交叉连接主要目的是启动外设时：
a 提高了控制器效率
b 提高可靠性
c 提高并行度交叉连接
5,通道工作原理通道相当于一个功能简单的处理机,包含通道指令 （ 空操作,读操作,写操作,控制,转移操作 ）,并可执行用这些指令编写的通道程序
1) 通道运算控制部件：
通道地址字 CAW：记录通道程序在内存中的地址通道命令字 CCW：保存正在执行的通道指令通道状态字 CSW：存放通道执行后的返回结果通道数据字 CDW,存放传输数据通道和 CPU共用内存,通过周期窃取方式取得
2) 通道命令及格式：
用于 I/O操作的命令主要有两种：
I/O指令：启动通道程序通道命令：对 I/O操作进行控制 。
读,反读,写,测试设备状态的数据传输命令,用于设备控制的命令 （ 磁带反绕,换页 ）,实现通道程序内部控制的转移命令命令格式一般包括：操作码,数据传输内存地址,特征位,计数器编制一个通道程序,从磁带机上读入 200
字节的信息,送入内存 （ 1000） 16 开始的单元 。
通道命令码：,07” 反绕
,02” 读
CCW1 X,07” * X,40” 1；
CCW2 X,02” 1000 X,00” 200；
3) 工作原理
CPU：执行用户程序,当遇到 I/O
请求时,可根据该请求生成通道程序放入内存 （ 也可事先编好放入内存 ）,并将该通道程序的首地址放入 CAW中；之后执行,启动 I/O”指令,启动通道工作 。
通道：接收到,启动 I/O”指令后,
从 CAW中取出通道程序的首地址,
并根据首地址取出第一条指令放入 CCW中,同时向 CPU发回答信号,
使 CPU可继续执行其他程序,而通道则开始执行通道程序,完成传输工作
（ 通道程序完成实际 I/O,启动 I/O设备,执行完毕后,如果还有下一条指令,则继续执行,否则表示传输完成 ）
当通道传输完成最后一条指令时,向
CPU发 I/O中断,并且通道停止工作 。
CPU接收中断信号,从 CSW中取得有关信息,决定下一步做什么通道的发展
新的通道思想综合了许多新的技术
在个人计算机中,芯片组中专门 I/O处理的芯片,
称为 IOP(IO Processor),发挥通道的作用 。
IBM 390 中,沿用了输入输出通道概念
IBM 于 1998 年 推 出 光 纤 通 道 技 术 （ 称为
FICON）,可通过 FICON 连接多达 127个大容量 I/O设备 。 传输速度是 333MHz／ s,未来将达到 1GHz／ s。
光纤通道技术具有数据传输速率高,传输距离远,可简化大型存储系统设计的优点在大容量高速存储,如大型数据库,多媒体,
数字影像等应用领域,有广泛前景
DMA 技术
DMA方式与中断的主要区别
中断方式是在数据缓冲寄存区满之后发中断要求 CPU进行中断处理
DMA方式则是在所要求转送的数据块全部传送结束时要求 CPU进行中断处理大大减少了 CPU进行中断处理的次数
中断方式的数据传送是由 CPU控制完成的而 DMA方式则是在 DMA控制器的控制下不经过 CPU控制完成的
6.4.2 缓冲技术
1,缓冲技术的引入凡是 数据到达 和 离去 速度不匹配的地方均可采用缓冲技术 。
在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的 I/O操作,以缓解 CPU与外部设备之间速度不匹配 的矛盾,
提高资源利用率减少了 I/O设备对处理器的中断请求次数,简化了中断机制,节省了系统开销例子：一个程序在运行过程中不断要求打印
2.缓冲区设臵硬缓冲：在设备中设臵缓冲区,
由硬件实现软缓冲：在内存中开辟一个空间,
用作缓冲区
3.缓冲区管理单缓冲双缓冲缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理,常采用多缓冲管理
4.例子终端输入软件中的键盘驱动程序任务之一：收集字符两种常见的字符缓冲方法：
公共缓冲池 （ 驱动程序中 ）
终端数据结构缓冲终端数据结构公共缓冲池终端
0
1
2
3
终端数据结构终端
0
1
终端 0
的缓冲区终端 1
的缓冲区公共缓冲池 终端固定缓冲区
6.4.3 Spooling（ 虚拟设备 ） 技术是一个虚拟设备,是一个资源转换技术 （ 用空间,如输入,输出等换取 CPU时间 ）
6.4.4 即插即用技术
（ Plug and Play）
是计算机系统 I/O设备与部件配臵的应用技术 。 顾名思义：插入就可用,不需要进行任何设臵操作
PnP技术的产生由于一个系统可以配臵多种外部设备,设备也经常变动和更换,它们都要占有一定的系统资源,彼此间在硬件和软件上可能会产生冲突 。
因此在系统中要正确地对它们进行配臵和资源匹配；当设备撤除,添臵和进行系统升级时,配臵过程往往是一个困难的过程
PnP技术的特点：
（ 1） 支持 I/O设备及部件的自动配臵,使用户能够简单方便地使用系统扩充设备
（ 2） 减少由制造商装入的种种用户支持和限制,简化部件的硬件跳接设臵,使 I/O附加卡和部件不再具有人工跳接线设臵电路
（ 3） 在主机板和附加卡上保存系统资源的配臵参数和分配状态,
有利于系统对整个 I/O资源的分配和控制
（ 4） 支持和兼容各种操作系统平台,具有很强的扩展性和可移植性 。
（ 5） 在一定程度上具有,热插入,,,热拼接,技术
PnP技术的功能：
（ 1） 附加卡的识别与确认
（ 2） 资源分配
（ 3） 附加卡自动配臵多方面的支持：具有 PnP功能的操作系统,配臵管理软件,软件安装程序,设备驱动程序等；网络设备的 PnP支持；系统平台的支持
（ 如,PnP主机板,控制芯片组和
PnP BIOS等 ） ；各种支持 PnP规范的总线的 I/O控制卡和部件
6.4.5 CPU高速缓冲
在计算机中,为了减少 CPU的等待时间,必须提高系统主存储器的响应速度
为此使用了高速缓存,用来存储 CPU常用的代码和数据信息
1,工作原理
基于程序访问的局部性分析表明,在一个较短的时间间隔内,由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中对局部范围的存储器地址频繁访问,而对此范围以外的地址则访问甚少的现象,就称为 程序访问的局部性
高速缓冲存储器：根据程序的局部性原理,在主存和
CPU通用寄存器之间设臵一个高速的容量相对较小的存储器,把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器,供 CPU在一段时间内使用 。 这对提高运行速度有很大的作用
命中率,CPU在任一时刻从高速缓冲中可靠获取数据的几率命中率越高,正确获取数据的可靠性就越大
高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系,高速缓冲的命中率相当高一般规定高速缓冲与内存的空间比为 4,1000
即 128kB 高速缓冲可映射 32MB内存
256kB 高速缓冲可映射 64MB内存在这种情况下,命中率都在 90％ 以上
2.高速缓冲的分级典型的一级 （ L1） 缓存系统的 80％ 的内存申请都发生在 CPU内部只有 20％ 的内存申请是与外部内存打交道而这 20％ 的外部内存申请中的 80％ 又与二级 （ L3）
缓存打交道因此,只有 4％ 的内存申请定向到主存中
3.CPU高速缓冲的重要性
PC系统的发展趋势之一,CPU主频越做越高,
系统架构越做越先进
而主存的结构和存取时间改进较慢 。 因此在 PC
系统中高速缓存越做越大 。 高速缓存已是评价和选购 PC系统的一个重要指标
新一代的微处理器,已实现设计了 L1高速缓存,
L2 高速缓存和在主板上的 L3高速缓存比如,在 Intel Pentium III中,L1高速缓存为
32 KB,L2可从 512 KB到 1 MB。 而 AMD K6-
III的 L1为 64KB,L2可达 256KB,外部 L3 高速缓存可达 1 MB
6.4.6 USB技术
USB（ Universal Serial Bus） 通用串行总线,是一种连接 I/O串行设备的技术标准
冲破了计算机技术发展的两个历史局限性：
（ 1） 由于 I/O设备的接口标准的不一致和有限的接口数量已无法满足各种应用迫切需要
(2) 传统的 I/O设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的需求
USB以 WDM（ Windows Driver Model） 模型为基础,
WDM包含一套通用的 I/O服务和二进制兼容的设备驱动程序
USB技术
USB支持同步数据传输方式和异步数据传输方式,其数据传输率有低速 1,5Mbps和全速
12Mbps两种,比标准串口快 100倍,比标准并口快 10倍
USB可以主动为外部设备提供电源,允许外部设备快速连接,具有即插即用的功能；允许外部设备的热插拔
USB的结构
控制器：控制器主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令
控制器驱动程序：控制器驱动程序在控制器与
USB设备之间建立通信信道
USB芯片驱动程序,USB芯片驱动程序提供了对 USB的支持
USB设备分为两类：
（ 1） USB集线器：本身可再接其他 USB外围设备
（ 2） USB设备：连接在计算机上用来完成特定功能并符合 USB规范的 I/O设备单元,如鼠标,键盘等
USB的传输方式
4种不同的数据传输方式：
（ 1） 等时传输方式以固定的传输速率,连续不断传输数据,发生错误时,USB不处理,而是继续传送新的数据 。
用于需要连续传输,且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备,如麦克风,
音箱以及电话等
（ 2） 中断传输方式该方式传送的数据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实时效果,此方式主要用在键盘,鼠标以及游戏手柄等外部设备上
（ 3） 控制传输方式处理主机的 USB设备的数据传输,包括设备控制指令,设备状态查询及确认命令 。 当 USB设备收到这些数据和命令后将按照先进先出的原则按队列方式处理到达的数据
（ 4） 批传输方式用来传输要求正确无误的数据 。 通常打印机,
扫描仪和数码相机以这种方式与主机连接
除等时传输方式外,其他 3种方式在数据传输发生错误时,都会试图重新发送数据以保证其准确性
USB的传输方式
6.4.7 网络打印设备
网络计算已成为计算机发展的方向之一
以往的网络打印模式,是将打印机连接到一台网上的 PC机上,或者是连接到文件服务器上,
提供网络打印服务新的网络打印,主要采用网络打印服务器的技术,将打印机直接连接上网,从而能够将任何数据直接输送到网络打印机输出,不需通过任何一台 PC机或文件服务器
网络打印机通过打印服务器进入网络,这种方式使打印速度得到了提高 。 在打印包含图像,
图形的大文件时更加明显
打印服务器还能实现多种网络自动切换,不同网络环境中的用户都可以直接向同一台打印机发送打印作业,打印服务器会自动识别
较强的打印管理功能,可以管理网络打印驱动,
而且容易安装和管理；可以实现远程登录访问,
进行远程打印机管理
提高工作效率
分布式的环境设臵,可以安装在网络的任何地方,这种打印服务方式,就显得更加灵活和满足需要网络打印设备
6.5 设备处理
6.5.1 设备分配与回收当某进程向系统提出 I/O请求时,
设备分配程序按一定策略分配设备,控制器和通道,形成一条数据传输通路,以供主机和设备间信息交换
* 设备独立性,即不能因为设备的忙碌,故障或更换而影响程序的运行,向用户屏蔽物理设备,呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备
* 抽象的 I/O 操作,即设计一类通用的 I/O指令,它们的含义对不同类型的设备作不同解释 。 而且,
在操作系统中,提供了若干 I/O系统调用 。 由系统将抽象的 I/O 操作映射到专门的设备驱动程序
1,数据结构：
设备控制块 DCB（ 设备控制表 DCT）
控制器控制块 COCB
（ 控制器控制表 COCT）
通道控制块 CHCB
（ 通道控制表 CHCT）
系统设备表 SDT
1） 系统设备表 SDT
整个系统一张表,记录系统中所有 I/O设备的信息,表目包括：
设备类型,设备标识符,进程标识符,DCT表指针等
2） 设备控制表 DCT
主要内容：设备类型,设备标识符,设备状态,与此设备相连的 COCT,重复执行的次数或时间,
等待队列的队首和队尾指针,
I/O程序地址
COCT,CHCT与 DCT类似根据用户请求的 I/O设备的逻辑名,查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引,查找 SDT,找到该设备所连接的 DCT；
继续查找与该设备连接的 COCT和
CHCT,就找到了一条通路
2.设备分配策略由于在多道程序系统中,进程数多于资源数,引起资源的竞争 。 因此,
要有一套合理的分配原则考虑的因素：
* I/O设备的固有属性
* I/O设备的分配算法
* 设备分配的安全性
* 与设备的无关性
1) 独占设备的分配要考虑充分发挥效率,避免由于不合理的分配策略造成死锁静态分配：在进程运行前,完成设备分配；运行结束时,收回设备缺点：设备利用率低动态分配：
在进程运行过程中,当用户提出设备要求时,进 行 分 配,
一旦停止使用立即收回优点：效率好缺点：分配策略不好时,产生死锁
2) 共享设备分配由于同时有多个进程同时访问,
且访问频繁,就会影响整个设备使用效率,影响系统效率 。 因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序,使平均服务时间越短越好
6.5.2 设备驱动程序为了控制 I/O传输,系统为每类设备编制设备驱动程序任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的信息,并根据设备分配的结果,结合具体物理设备特性完成以下具体工作
(1) 预臵设备的初始状态
(2) 根据请求传输的数据量,组织
I/O缓冲队列,利用 I/O缓冲对数据进行加工,包括数据格式处理和编码转换
(3) 构造 I/O程序 （ 在有通道系统中,是通道程序 ）
(4) 启动设备进行 I/O操作
6.5.3 I/O中断处理程序处理来自设备或通道的中断
6.5.4 一种实现,I/O进程
I/O进程：专门处理系统中的
I/O请求和 I/O中断工作不同操作系统处理 I/O事务所采用的形式不同,主要有三种处理方式：
(1) 每类设备一个 I/O进程
(2) 整个系统一个 I/O进程
(3) 为各类设备设臵相应的设备处理程序供外部调用
1.I/O请求的进入用户程序：调用 send将 I/O请求发送给 I/O进程；调用 block
将自己阻塞,直到 I/O任务完成后被唤醒系统：利用 wakeup唤醒 I/O进程,完成用户所要求的 I/O处理
2.I/O中断的进入当 I/O中断发生时,内核中的中断处理程序发一条消息给 I/O
进程,由 I/O进程负责判断并处理中断
3.I/O进程是系统进程,一般赋予最高优先级 。 一旦被唤醒,它可以很快抢占处理机投入运行
I/O进程开始运行后,首先关闭中断,然后用 receive去接收消息 。 两种情形：
(1) 没有消息,则开中断,将自己阻塞；
(2) 有消息,则判断消息 （ I/O
请求或 I/O中断 ） ；
a.I/O请求准备通道程序,发出启动 I/O
指令,继续判断有无消息
b.I/O中断,进一步判断正常或异常结束正常：唤醒要求进行 I/O操作的进程异常：转入相应的错误处理程序为进程 P分配所需的 I/O设备从 SDT表查该类设备的控制表 DCT
由 DCT检查该设备忙否?
不忙检查分配此设备的安全性?
不安全分配此设备给进程 P
查此设备连接的 COCT忙否?
不忙不忙分配此控制器给进程 P
查此控制器连接的 CHCT忙否?
最后一个 DCT?
分配此通道给进程 P
启动 I/O,进行具体的 I/O操作忙进程 P的 PCB放入此设备的等待队列
Y
N
忙 最后一个 COCT?
最后一个 DCT?
进程 P 的 PCB 放入此控制器的等待队列
Y
N
Y
忙最后一个 CHCT?
Y最后一个 COCT?
进程 P 的 PCB 放入此通道的等待队列
N
Y
N
N
多通路设备分配流程示意图管理程序保护现场组织通道程序保存通道程序的始址于 CAW
启动 I/O指令分析条件码启动成功使
P阻塞,另选程序 q运行保护程序 q的现场分析中断原因处理 I/O中断选择可运行程序请求启动程序程序 q
程序 P
用户程序判断状态执行通道程序控制 I/O设备操作,执行情况记录在 CSW
出现中断事件
CSW=>主存通道号,设备号送特定寄存器通道程序执行规定的操作设备控制器和设备
1
2
3
4
5
6
I/O的操作全过程
6.6 典型外部设备
6.6.1 硬盘
6.6.2 时钟
6.6.3 终端输入：原始模式或加工模式缓冲,回送,填充字符,行编辑,
特殊字符处理输出：光标的位臵,转义字符
6.6.1 磁盘几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息 。 从存储角度,与内存比较起来,磁盘有三个主要的优点：
1,可用的存储容量非常大
2,每位的价格非常低
3,电源关掉后信息不会丢失磁盘硬件
实际的硬盘都组织成许多柱面,每一个柱面上的磁道数和垂直放臵的磁头个数相同
磁道又被分成许多扇区,每条磁道上扇区数目典型为 8
至 32,每个扇区包含相同的字节数
磁盘驱动程序有重要设备特性：控制器可以同时控制两 个或多 个驱动 器进行 寻道,这就是 重叠寻 道
（ overlapped seeks）
当控制器和软件等待一个驱动器完成寻道时,控制器可以启动另一个驱动器进行寻道 。 许多控制器也可以在对一个或多个其他驱动器寻道的同时在一个驱动器上进行读写操作
但是控制器不能同时读写两个驱动器 （ 读写数据要求控制器在微秒级范围传输数据,所以一个传输就基本用完了所有的计算能力 ）
磁盘硬件
RAM 盘
RAM盘的思想很简单,它使用预先分配的主存来存储数据块 。 RAM盘具有立即存取的优点 （ 没有寻道和旋转延迟 ）,适用于存储需要频繁存取的程序和数据
实现 RAM盘的思想：根据为 RAM盘分配内存的大小,RAM盘被分成 n块,每块的大小与实际磁盘块的大小相同 。 当驱动程序接收到一条读写一块的消息时,它只计算被请求的块在
RAM盘存储区的位臵,并读出或写入该块,
而不对软盘或硬盘进行读写
6.6.2 时钟
时钟 （ clock）,又称为定时器 （ timer）
(1) 时钟负责提供一天的时间
(2) 防止一个进程垄断 CPU
时钟既不是块设备,也不是字符设备,但时钟软件通常也采用设备驱动程序的形式时钟硬件两种类型：
比较简单的时钟被连到 110V或 220V的电源线上,每个电压周期产生一个中断,频率是 50Hz
或 60Hz
另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器,计数器和存储寄存器石英晶体产生的精确的周期信号,典型的范围是 5到 100MHz
信号送到到计数器,使其递减计数至 0。 当计数器变为 0时,产生一个 CPU中断信号
可编程时钟操作方式：在单脉冲方式 （ one-
shot mode） 下,当时钟启动时,它把存储寄存器的值拷贝到计数器中,然后,晶体的每一个脉冲使计数器减 1。 当计数器为 0时,产生一个中断,并停止工作,直到软件再一次显式启动它
在方波方式 （ square-wave mode） 下,当计数器为 0并产生中断时,存储寄存器的值自动拷贝到计数器,这个过程不断地重复下去 。 周期性的中断称为时钟滴答 （ clock tick ）
可编程时钟的优点是其中断频率可由软件控制时钟软件时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个中断涉及时间的其他所有工作都必须由软件 — 时钟驱动程序完成时钟软件 功能：
1,维护日期时间
2,防止进程超时运行
3,对 CPU的使用情况记帐
4,处理用户进程提出的 ALARM系统调用
5,为系统本身各部分提供监视定时器
6,绘制 CPU运行直方图,完成监视和统计信息收集
系统的其他部分也需要定时器称为监视定时器
（ watchdog timer） 。 例如,使用软盘时,系统必须驱动软盘的电机接通电源并等待大约
500毫秒,使电机达到稳定速度终端
每台计算机都配有一个或多个终端与之通信
为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不同型号的终端不必重写,
终端驱动程序隐藏了各种类型终端的差异终端硬件
根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类：
（ 1） RS－ 232标准接口
（ 2） 是存储映像终端
RS－ 232终端由键盘和显示器构成,通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通信 。 这些终端使用 25针的连接器,其中一针用于发送数据,一针用于接收数据,一针接地,其余 22针用于各种控制功能 （ 大部分未使用 ）
计算机和终端内部工作都是以字符作为处理对象,而通信时却是通过串行口一次一位地进行所以,需要完成从字符到位串与位串到字符的转换芯片 UART （ 通用异步收发器 Universal
Asynchronous Receiver Transmitter）
终端硬件
智能 CRT终端实际是一微小型计算机它们带有一个 CPU和存储器,通常在 EPROM
或 ROM中存储了复杂的程序
从操作系统的角度,玻璃终端和智能终端的主要不同点是：后者理解特殊的转义序列
最高档的智能终端中包含了与主计算机能力相同的 CPU,以及以兆字节为单位的内存,可以从计算机系统下载任何程序终端硬件存储映像终端
本身是计算机的组成部分
存储映像终端是通过专用存储器接口与计算机通信,该专用存储器称为视频 RAM（ video
RAM）,是计算机地址空间的一部分,CPU
对它的寻址与对其他存储器的寻址是一样的
在视频 RAM卡上有一个芯片,称为视频控制器 (video controller),负责从视频 RAM中取出字符,产生用于驱动显示器 （ 监视器 ） 的视频信号
当 CPU将一个字符写到视频 RAM时,在一帧显示周期 （ 单色为 1／ 50秒,彩色为 1／ 60秒 ）
内显示在屏幕上
存储映像终端速度要快得多 。 由于存储映像终端能够最快地交互,所以目前广泛使用这类终端 。
位映像终端与存储映像终端的原理相同,只是视频 RAM中的每一位直接控制屏幕上的每一个像素
800× 1024个像素的屏幕需要 100k字节的 RAM
（ 彩色的则更多 ）,而且提供了更加灵活的字符字体和尺寸,允许多窗口,可制作任意图形存储映像终端输入软件
键盘驱动程序的基本工作是收集键盘的输入信息,当用户程序要从终端读信息时,再把收集到的输入传送给用户程序
键盘驱动程序的 两种处理方式
（ 1） 面向字符的,原始 （ raw） 模式将接收的输入不加修改地向上层传送,从终端读信息的程序得到一系列原始的 ASCII码序列
（ 2） 面向行的,加工 （ cooked） 模式键盘驱动程序负责处理一行内的编辑,并将修改过的行传送给用户程序输出软件
RS－ 232终端与存储终端的驱动程序完全不同
RS－ 232终端常用的方法是使输出缓冲区与每个终端相关联
当程序向终端写时,首先将输出拷贝到缓冲区 。
同样,需要回送的输入也拷贝到缓冲区 。 当输出全部复制到缓冲区 （ 或者缓冲区满 ） 时,向终端输出第一个字符,驱动程序睡眠等待,产生中断时,输出下一个字符,如此循环,直到输出完成
对于存储映像终端,从用户空间一次取出一个要打印的字符,然后直接送入视频 RAM。
6.1 概述
6.2 I/O软件的组成
6.3 I/O硬件特点
6.4 有关技术
6.5 设备处理
6.6 典型外部设备
6.1 概述
6.1.1 I/O管理的重要性
1.没有 I/O设备的计算机就像一个没有轮子的汽车
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?
(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之一是：
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
6.1.2 设备的分类
1.按使用特性分存储型设备输入型设备 （ 外设?主机 ）
输出型设备 （ 主机?外设 ）
输入输出型设备
2.按数据组织分块设备以数据块为单位存储,传输信息字符设备以字符为单位存储,传输信息
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所用专用设备 ）
4,按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设备
（ 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 ）
（ 为 了 提 高 资 源 利 用 率,如
SPOOLing技术就使用了虚设备技术 —— 用硬盘模拟输入输出设备 。 ）
SPOOLing技术为解决独立设备数量少,速度慢,
不能满足众多进程的要求,而且在进程独占设备期间,设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术
5.从程序使用角度分逻辑设备物理设备
6.1.3 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
（ 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
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
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,使系统能有条不紊的工作
5,与设备无关性 （ 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 （ 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用户申请使用设备时,只需要指定设备类型,而无须指定具体物理设备,系统根据当前的请求,
及设备分配的情况,在相同类别设备中,选择一个空闲设备,并将其分配给一个申请进程统一性：
对不同的设备采取统一的操作方式,在用户程序中使用的是逻辑设备优点：
设备忙碌或设备故障时,用户不必修改程序
改善了系统的可适应性和可扩展性
6.2 I/O软件的组成
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
6.2.1 I／ O软件的目标在设计 I／ O软件时的一个关键概念是设备独立性 。 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
6.2.2 中断处理程序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
6.2.3 设备驱动程序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每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器,用来存放向设备发送的命令和参数 。 设备驱动程序负责释放这些命令,并监督它们正确执行一般,设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求,并执行这个请求在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后,系统有两种处理方式,
多数情况下,执行设备驱动程序的进程必须等待命令完成这样,在命令开始执行后,它阻塞自已,直到中断处理时将它解除阻塞为止 。 而在其它情况下,
命令执行不必延迟就很快完成
6.2.4 设备独立的软件虽然 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？
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
6.2.5 用户空间的 I／ O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臵,由其它的 I／ O过程实际实现真正的操作
（ 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
（ 3） 设备驱动程序设臵设备寄存器,检查设备的执行状态
（ 4） 中断处理程序负责 I／ O完成时,唤醒设备驱动程序进程,进行中断处理
（ 5） 硬件层实现物理 I／ O的操作
6.3 I/O硬件特点
6.3.1 设备组成
I／ O设备一般由机械和电子两部分组成把这两部分分开处理,以提供更加模块化,更加通用的设计
1.设备机械部分是设备本身
2.设备控制器电子部分叫做设备控制器或适配器 。
在小型和微型机中,它常采用印刷电路卡插入计算机中控制器卡上通常有一个插座,通过电缆与设备相连控制器和设备之间的接口是一个标准接口,它符合 ANSI,IEEE或
ISO这样的国际标准关注点：对该硬件如何进行程序设计,不考虑设备内部如何工作程序员：软件接口即硬件所接受的命令,它所完成的功能,报回的错误
6.3.2 设备接口一次完整的 I/O传送过程,典型地由一长列低级信号组成,这些信号启动设备所执行的操作,并通过测试设备状态来监控设备操作的进展一个 I/O过程由四步组成：
准备启动测试和等待结果检查和错误处理通过对设备接口寄存器组的读写完成
6.3.3 设备连接模式指 I/O设备与 CPU之间的连接方式,
亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式 。 在一个确定的连接模式下,从 I/O设备到 CPU间的所有连接成分构成了一条 I/O路径
（ I/O链 ）
1.设备与主机间最基本的连接方式四个要素：
设备接口形式
I/O指令形式
I/O地址空间分配及译码连线问题
(1)设备接口形式
* 端口地址译码
* 按照主机与设备的约定格式和过程接受或发送数据和信号计算机 设备设备 计算机
* 将计算机的数字信号转换为机械部分能识别的模拟信号,或反过来
* 实现一些诸如设备内部硬件缓冲存储,数据加工的提高性能或增强功能的任务
(2)I/O指令形式与 I/O地址是相互关联的,主要有两种形式：
内存映像 I/O模式
I/O专用指令要考虑的几个问题：
设备完成技术：系统如何知道设备的一次 I/O操作是否完成？
对 CPU编程的 I/O技术,CPU必须亲自完成 I/O的启动与完成的处理,
亲自执行所有数据在内存和设备之间的实际物理传送进一步改善：
使 CPU利用率尽可能不被 I/O降低使 CPU尽可能摆脱 I/O
提高 I/O本身的绝对速度
减少或缓解速度差距?
使 CPU不等待 I/O?
提高设备利用率
在设备与主机的硬连接上,引入总线,节省连线并提供配臵扩充与改变时的灵活性；引入控制器,
扩大设备与主机间的相互适用范围小结：控制器与设备的分离,循环测试到中断,对 CPU编程式的 I/O到 DMA,联机 I/O
到假脱机
2.总线将计算机系统中的各个子系统
（ CPU,内存,外设等 ） 相互连接,且连接是共享的好处：低成本 （ 一线多用 ）
灵活性
（ 易于增加设备,便于两个计算机系统之间共享外设 ）
总线的缺点：
本身形成了通讯瓶颈,限制 I/O
吞吐量总线分类：
数据总线,地址总线,控制总线
3.控制器 （ 适配器 ）
电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯
CPU与控制器间通讯：
单总线模型 （ 微机,小型机 ）
多总线模型 （ 中,大型机 ）
每个控制器备有几个寄存器与 CPU
通讯 。
两种模式：
1,存储器映像 I/O,寄存器是内存地址空间的一部分
2,专用 I/O地址空间,每个控制器分配其中的一部分 （ IBM PC）
操作系统将命令写入控制器寄存器中,以实现输入／输出例如,IBM PC的软盘控制器可接收 15条 命 令,READ,WRITE、
FORMAT,SEEK,RECALIBRATE，
命令可以带参数 。 它们被一起送入控制器的寄存器中当控制器接受一条命令后,可独立于 CPU完成指定操作,CPU可以转去执行其它运算 。 命令完成时,
控制器产生一个中断,CPU响应中断,控制转给操作系统 。 CPU
通过读控制器寄存器中的信息,
获得操作结果和设备状态控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口 。 例如磁盘,可以按每个磁道 8扇区,每个扇区 512个字节进行格式化 。 然而,实际从驱动器出来的却是一连串的位流,以 一 个 头 标
（ preamble） 开始,然后是一个扇区的 4096位 （ 512× 8）,最后是检查和或错误校验码 （ Error— C一 C,ECC） 。
头标是在对磁盘格式化时写上的,它包括柱面和扇区数,扇区的大小和类似的一些数据控制器的任务是把串行的位流转换为字节块,并进行必要的错误修正 。 首先,控制器按位进行组装,然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块 。 在对块验证检查和并证明无错误时,
再将它复制到主存中
4.设备完成技术一次 I/O 传送过程：
准备?传送?后处理例：一个打印机有两个 I/O设备寄存器状态寄存器数据寄存器设备的一次操作是否完成？
测试设备的一个硬件信号几种测试模式：
（ 1） I/O测试指令
（ 2） 中断技术
5.DMA
数据在内存与 I/O设备间的直接成块传送
CPU在开始时向设备发,传送一块,命令,结束时进行相应处理,
实际操作由 DMA硬件直接完成
DMA需要附加的辅助硬件,且该
DMA硬件属于设备的电子部分的功能 （ 由控制器实现 ） 。 许多控制器,尤其是块设备控制器都支持 DMA
以读磁盘为例,说明 DMA怎样工作不用 DMA时,磁盘如何读：首先,控制器从磁盘驱动器串行地一位一位地读一个块,直到将整块信息放入控制器的内部缓冲区中 。 其次,它做和校验计算,以核实没有读错误发生 。 然后控制器产生一个中断 。
CPU响应中断,控制转给操作系统 。
当操作系统开始运行时,它重复地从控制器缓冲区中一次一个字节或一个字地读这个磁盘块的信息,并将其送入内存中采用 DMA方式时,允许 DMA控制器接管地址线的控制权,直接控制 DMA控制器与内存的数据交换 。 从而使磁盘设备与储器之间的数据传送不需要
CPU介入,因而减轻了 CPU负担当采用 DMA时,除向控制器提供要读块的磁盘地址外,还要向控制器提供两个信息：要读块送往内存的起始地址和要传送的字节数寄存器当 DMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时,每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时,DMA控制器取代 CPU,接管地址总线的控制权,并按照 DMA控制器中的存储器地址寄存器内容把数据送入相应的内存单元中 。 然后,
DMA硬件自动地把传送字节计数器减 1,把存储器地址寄存器加 1,并恢复 CPU对内存的控制权,
DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程,
直到传送字节计数器为,0”时,向 CPU产生一个中断信号 。 当操作系统接管 CPU控制权时,
再无需做块复制的工作了 。
CPU向控制器发出启动 DMA通知和有关参数控制器向内存发出询问请求访问内存（读、写）
计数器减 1
结束否发中断
N
Y DMA的实现流程
6.通道 （ I/O处理机 ）
是可以执行程序的,负责且只负责操纵输入输出设备的,功能简单专用的,低速低性能的,造价低的专用处理机 。 负责管理设备与内存之间的数据传送的一切工作
6.4 有关技术
6.4.1 通道技术
1.定义：通道是独立于 CPU的专门负责数据输入 /输出传输工作的处理机,对外部设备实现统一管理,代替 CPU对输入 /输出操作进行控制,从而使输入,输出操作可与 CPU并行操作 。
可以执行通道程序
2.引入通道的目的为了使 CPU从 I/O事务中解脱出来,
同时为了提高 CPU与设备,设备与设备之间的并行工作能力
3,分类
1) 字节多路通道字节多路通道以字节为单位传输信息,它可以分时地执行多个通道程序 。 当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后,通道硬件就控制转去执行另一个通道程序,控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速
I/O设备 。 如打印机,终端 。
以字节为单位交叉传输,当一台传送一个字节后,立即转去为另一台传送字节
2)选择通道选择通道是以成组方式工作的,
即每次传送一批数据,故传送速度很高 。 选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序,只允许一台设备进行数据传输当这台设备数据传输完成后,再选择与通道连接的另一台设备,
执行它的相应的通道程序主要连接磁盘,磁带等高速 I/O
设备选择通道
3)成组多路通道它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点 。 它先为一台设备执行一条通道指令,然后自动转接,
为另一台设备执行一条通道指令主要连接高速设备这样,对于连接多台磁盘机的数组多路通道,它可以启动它们同时执行移臂定位操作,然后,按序交叉地传输一批批数据 。 数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现
4.硬件连接结构通道：执行通道程序,向控制器发出命令,并具有向 CPU发中断信号的功能 。 一旦 CPU发出指令,
启动通道,则通道独立于 CPU工作 。 一个通道可连接多个控制器,
一个控制器可连接多个设备,形成树形交叉连接主要目的是启动外设时：
a 提高了控制器效率
b 提高可靠性
c 提高并行度交叉连接
5,通道工作原理通道相当于一个功能简单的处理机,包含通道指令 （ 空操作,读操作,写操作,控制,转移操作 ）,并可执行用这些指令编写的通道程序
1) 通道运算控制部件：
通道地址字 CAW：记录通道程序在内存中的地址通道命令字 CCW：保存正在执行的通道指令通道状态字 CSW：存放通道执行后的返回结果通道数据字 CDW,存放传输数据通道和 CPU共用内存,通过周期窃取方式取得
2) 通道命令及格式：
用于 I/O操作的命令主要有两种：
I/O指令：启动通道程序通道命令：对 I/O操作进行控制 。
读,反读,写,测试设备状态的数据传输命令,用于设备控制的命令 （ 磁带反绕,换页 ）,实现通道程序内部控制的转移命令命令格式一般包括：操作码,数据传输内存地址,特征位,计数器编制一个通道程序,从磁带机上读入 200
字节的信息,送入内存 （ 1000） 16 开始的单元 。
通道命令码：,07” 反绕
,02” 读
CCW1 X,07” * X,40” 1；
CCW2 X,02” 1000 X,00” 200；
3) 工作原理
CPU：执行用户程序,当遇到 I/O
请求时,可根据该请求生成通道程序放入内存 （ 也可事先编好放入内存 ）,并将该通道程序的首地址放入 CAW中；之后执行,启动 I/O”指令,启动通道工作 。
通道：接收到,启动 I/O”指令后,
从 CAW中取出通道程序的首地址,
并根据首地址取出第一条指令放入 CCW中,同时向 CPU发回答信号,
使 CPU可继续执行其他程序,而通道则开始执行通道程序,完成传输工作
（ 通道程序完成实际 I/O,启动 I/O设备,执行完毕后,如果还有下一条指令,则继续执行,否则表示传输完成 ）
当通道传输完成最后一条指令时,向
CPU发 I/O中断,并且通道停止工作 。
CPU接收中断信号,从 CSW中取得有关信息,决定下一步做什么通道的发展
新的通道思想综合了许多新的技术
在个人计算机中,芯片组中专门 I/O处理的芯片,
称为 IOP(IO Processor),发挥通道的作用 。
IBM 390 中,沿用了输入输出通道概念
IBM 于 1998 年 推 出 光 纤 通 道 技 术 （ 称为
FICON）,可通过 FICON 连接多达 127个大容量 I/O设备 。 传输速度是 333MHz／ s,未来将达到 1GHz／ s。
光纤通道技术具有数据传输速率高,传输距离远,可简化大型存储系统设计的优点在大容量高速存储,如大型数据库,多媒体,
数字影像等应用领域,有广泛前景
DMA 技术
DMA方式与中断的主要区别
中断方式是在数据缓冲寄存区满之后发中断要求 CPU进行中断处理
DMA方式则是在所要求转送的数据块全部传送结束时要求 CPU进行中断处理大大减少了 CPU进行中断处理的次数
中断方式的数据传送是由 CPU控制完成的而 DMA方式则是在 DMA控制器的控制下不经过 CPU控制完成的
6.4.2 缓冲技术
1,缓冲技术的引入凡是 数据到达 和 离去 速度不匹配的地方均可采用缓冲技术 。
在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的 I/O操作,以缓解 CPU与外部设备之间速度不匹配 的矛盾,
提高资源利用率减少了 I/O设备对处理器的中断请求次数,简化了中断机制,节省了系统开销例子：一个程序在运行过程中不断要求打印
2.缓冲区设臵硬缓冲：在设备中设臵缓冲区,
由硬件实现软缓冲：在内存中开辟一个空间,
用作缓冲区
3.缓冲区管理单缓冲双缓冲缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理,常采用多缓冲管理
4.例子终端输入软件中的键盘驱动程序任务之一：收集字符两种常见的字符缓冲方法：
公共缓冲池 （ 驱动程序中 ）
终端数据结构缓冲终端数据结构公共缓冲池终端
0
1
2
3
终端数据结构终端
0
1
终端 0
的缓冲区终端 1
的缓冲区公共缓冲池 终端固定缓冲区
6.4.3 Spooling（ 虚拟设备 ） 技术是一个虚拟设备,是一个资源转换技术 （ 用空间,如输入,输出等换取 CPU时间 ）
6.4.4 即插即用技术
（ Plug and Play）
是计算机系统 I/O设备与部件配臵的应用技术 。 顾名思义：插入就可用,不需要进行任何设臵操作
PnP技术的产生由于一个系统可以配臵多种外部设备,设备也经常变动和更换,它们都要占有一定的系统资源,彼此间在硬件和软件上可能会产生冲突 。
因此在系统中要正确地对它们进行配臵和资源匹配；当设备撤除,添臵和进行系统升级时,配臵过程往往是一个困难的过程
PnP技术的特点：
（ 1） 支持 I/O设备及部件的自动配臵,使用户能够简单方便地使用系统扩充设备
（ 2） 减少由制造商装入的种种用户支持和限制,简化部件的硬件跳接设臵,使 I/O附加卡和部件不再具有人工跳接线设臵电路
（ 3） 在主机板和附加卡上保存系统资源的配臵参数和分配状态,
有利于系统对整个 I/O资源的分配和控制
（ 4） 支持和兼容各种操作系统平台,具有很强的扩展性和可移植性 。
（ 5） 在一定程度上具有,热插入,,,热拼接,技术
PnP技术的功能：
（ 1） 附加卡的识别与确认
（ 2） 资源分配
（ 3） 附加卡自动配臵多方面的支持：具有 PnP功能的操作系统,配臵管理软件,软件安装程序,设备驱动程序等；网络设备的 PnP支持；系统平台的支持
（ 如,PnP主机板,控制芯片组和
PnP BIOS等 ） ；各种支持 PnP规范的总线的 I/O控制卡和部件
6.4.5 CPU高速缓冲
在计算机中,为了减少 CPU的等待时间,必须提高系统主存储器的响应速度
为此使用了高速缓存,用来存储 CPU常用的代码和数据信息
1,工作原理
基于程序访问的局部性分析表明,在一个较短的时间间隔内,由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间的很小范围内对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中对局部范围的存储器地址频繁访问,而对此范围以外的地址则访问甚少的现象,就称为 程序访问的局部性
高速缓冲存储器：根据程序的局部性原理,在主存和
CPU通用寄存器之间设臵一个高速的容量相对较小的存储器,把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器,供 CPU在一段时间内使用 。 这对提高运行速度有很大的作用
命中率,CPU在任一时刻从高速缓冲中可靠获取数据的几率命中率越高,正确获取数据的可靠性就越大
高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系,高速缓冲的命中率相当高一般规定高速缓冲与内存的空间比为 4,1000
即 128kB 高速缓冲可映射 32MB内存
256kB 高速缓冲可映射 64MB内存在这种情况下,命中率都在 90％ 以上
2.高速缓冲的分级典型的一级 （ L1） 缓存系统的 80％ 的内存申请都发生在 CPU内部只有 20％ 的内存申请是与外部内存打交道而这 20％ 的外部内存申请中的 80％ 又与二级 （ L3）
缓存打交道因此,只有 4％ 的内存申请定向到主存中
3.CPU高速缓冲的重要性
PC系统的发展趋势之一,CPU主频越做越高,
系统架构越做越先进
而主存的结构和存取时间改进较慢 。 因此在 PC
系统中高速缓存越做越大 。 高速缓存已是评价和选购 PC系统的一个重要指标
新一代的微处理器,已实现设计了 L1高速缓存,
L2 高速缓存和在主板上的 L3高速缓存比如,在 Intel Pentium III中,L1高速缓存为
32 KB,L2可从 512 KB到 1 MB。 而 AMD K6-
III的 L1为 64KB,L2可达 256KB,外部 L3 高速缓存可达 1 MB
6.4.6 USB技术
USB（ Universal Serial Bus） 通用串行总线,是一种连接 I/O串行设备的技术标准
冲破了计算机技术发展的两个历史局限性：
（ 1） 由于 I/O设备的接口标准的不一致和有限的接口数量已无法满足各种应用迫切需要
(2) 传统的 I/O设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的需求
USB以 WDM（ Windows Driver Model） 模型为基础,
WDM包含一套通用的 I/O服务和二进制兼容的设备驱动程序
USB技术
USB支持同步数据传输方式和异步数据传输方式,其数据传输率有低速 1,5Mbps和全速
12Mbps两种,比标准串口快 100倍,比标准并口快 10倍
USB可以主动为外部设备提供电源,允许外部设备快速连接,具有即插即用的功能；允许外部设备的热插拔
USB的结构
控制器：控制器主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令
控制器驱动程序：控制器驱动程序在控制器与
USB设备之间建立通信信道
USB芯片驱动程序,USB芯片驱动程序提供了对 USB的支持
USB设备分为两类：
（ 1） USB集线器：本身可再接其他 USB外围设备
（ 2） USB设备：连接在计算机上用来完成特定功能并符合 USB规范的 I/O设备单元,如鼠标,键盘等
USB的传输方式
4种不同的数据传输方式：
（ 1） 等时传输方式以固定的传输速率,连续不断传输数据,发生错误时,USB不处理,而是继续传送新的数据 。
用于需要连续传输,且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备,如麦克风,
音箱以及电话等
（ 2） 中断传输方式该方式传送的数据量很小,但这些数据需要及时处理,以达到实时效果,此方式主要用在键盘,鼠标以及游戏手柄等外部设备上
（ 3） 控制传输方式处理主机的 USB设备的数据传输,包括设备控制指令,设备状态查询及确认命令 。 当 USB设备收到这些数据和命令后将按照先进先出的原则按队列方式处理到达的数据
（ 4） 批传输方式用来传输要求正确无误的数据 。 通常打印机,
扫描仪和数码相机以这种方式与主机连接
除等时传输方式外,其他 3种方式在数据传输发生错误时,都会试图重新发送数据以保证其准确性
USB的传输方式
6.4.7 网络打印设备
网络计算已成为计算机发展的方向之一
以往的网络打印模式,是将打印机连接到一台网上的 PC机上,或者是连接到文件服务器上,
提供网络打印服务新的网络打印,主要采用网络打印服务器的技术,将打印机直接连接上网,从而能够将任何数据直接输送到网络打印机输出,不需通过任何一台 PC机或文件服务器
网络打印机通过打印服务器进入网络,这种方式使打印速度得到了提高 。 在打印包含图像,
图形的大文件时更加明显
打印服务器还能实现多种网络自动切换,不同网络环境中的用户都可以直接向同一台打印机发送打印作业,打印服务器会自动识别
较强的打印管理功能,可以管理网络打印驱动,
而且容易安装和管理；可以实现远程登录访问,
进行远程打印机管理
提高工作效率
分布式的环境设臵,可以安装在网络的任何地方,这种打印服务方式,就显得更加灵活和满足需要网络打印设备
6.5 设备处理
6.5.1 设备分配与回收当某进程向系统提出 I/O请求时,
设备分配程序按一定策略分配设备,控制器和通道,形成一条数据传输通路,以供主机和设备间信息交换
* 设备独立性,即不能因为设备的忙碌,故障或更换而影响程序的运行,向用户屏蔽物理设备,呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备
* 抽象的 I/O 操作,即设计一类通用的 I/O指令,它们的含义对不同类型的设备作不同解释 。 而且,
在操作系统中,提供了若干 I/O系统调用 。 由系统将抽象的 I/O 操作映射到专门的设备驱动程序
1,数据结构：
设备控制块 DCB（ 设备控制表 DCT）
控制器控制块 COCB
（ 控制器控制表 COCT）
通道控制块 CHCB
（ 通道控制表 CHCT）
系统设备表 SDT
1） 系统设备表 SDT
整个系统一张表,记录系统中所有 I/O设备的信息,表目包括：
设备类型,设备标识符,进程标识符,DCT表指针等
2） 设备控制表 DCT
主要内容：设备类型,设备标识符,设备状态,与此设备相连的 COCT,重复执行的次数或时间,
等待队列的队首和队尾指针,
I/O程序地址
COCT,CHCT与 DCT类似根据用户请求的 I/O设备的逻辑名,查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引,查找 SDT,找到该设备所连接的 DCT；
继续查找与该设备连接的 COCT和
CHCT,就找到了一条通路
2.设备分配策略由于在多道程序系统中,进程数多于资源数,引起资源的竞争 。 因此,
要有一套合理的分配原则考虑的因素：
* I/O设备的固有属性
* I/O设备的分配算法
* 设备分配的安全性
* 与设备的无关性
1) 独占设备的分配要考虑充分发挥效率,避免由于不合理的分配策略造成死锁静态分配：在进程运行前,完成设备分配；运行结束时,收回设备缺点：设备利用率低动态分配：
在进程运行过程中,当用户提出设备要求时,进 行 分 配,
一旦停止使用立即收回优点：效率好缺点：分配策略不好时,产生死锁
2) 共享设备分配由于同时有多个进程同时访问,
且访问频繁,就会影响整个设备使用效率,影响系统效率 。 因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序,使平均服务时间越短越好
6.5.2 设备驱动程序为了控制 I/O传输,系统为每类设备编制设备驱动程序任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的信息,并根据设备分配的结果,结合具体物理设备特性完成以下具体工作
(1) 预臵设备的初始状态
(2) 根据请求传输的数据量,组织
I/O缓冲队列,利用 I/O缓冲对数据进行加工,包括数据格式处理和编码转换
(3) 构造 I/O程序 （ 在有通道系统中,是通道程序 ）
(4) 启动设备进行 I/O操作
6.5.3 I/O中断处理程序处理来自设备或通道的中断
6.5.4 一种实现,I/O进程
I/O进程：专门处理系统中的
I/O请求和 I/O中断工作不同操作系统处理 I/O事务所采用的形式不同,主要有三种处理方式：
(1) 每类设备一个 I/O进程
(2) 整个系统一个 I/O进程
(3) 为各类设备设臵相应的设备处理程序供外部调用
1.I/O请求的进入用户程序：调用 send将 I/O请求发送给 I/O进程；调用 block
将自己阻塞,直到 I/O任务完成后被唤醒系统：利用 wakeup唤醒 I/O进程,完成用户所要求的 I/O处理
2.I/O中断的进入当 I/O中断发生时,内核中的中断处理程序发一条消息给 I/O
进程,由 I/O进程负责判断并处理中断
3.I/O进程是系统进程,一般赋予最高优先级 。 一旦被唤醒,它可以很快抢占处理机投入运行
I/O进程开始运行后,首先关闭中断,然后用 receive去接收消息 。 两种情形：
(1) 没有消息,则开中断,将自己阻塞；
(2) 有消息,则判断消息 （ I/O
请求或 I/O中断 ） ；
a.I/O请求准备通道程序,发出启动 I/O
指令,继续判断有无消息
b.I/O中断,进一步判断正常或异常结束正常：唤醒要求进行 I/O操作的进程异常：转入相应的错误处理程序为进程 P分配所需的 I/O设备从 SDT表查该类设备的控制表 DCT
由 DCT检查该设备忙否?
不忙检查分配此设备的安全性?
不安全分配此设备给进程 P
查此设备连接的 COCT忙否?
不忙不忙分配此控制器给进程 P
查此控制器连接的 CHCT忙否?
最后一个 DCT?
分配此通道给进程 P
启动 I/O,进行具体的 I/O操作忙进程 P的 PCB放入此设备的等待队列
Y
N
忙 最后一个 COCT?
最后一个 DCT?
进程 P 的 PCB 放入此控制器的等待队列
Y
N
Y
忙最后一个 CHCT?
Y最后一个 COCT?
进程 P 的 PCB 放入此通道的等待队列
N
Y
N
N
多通路设备分配流程示意图管理程序保护现场组织通道程序保存通道程序的始址于 CAW
启动 I/O指令分析条件码启动成功使
P阻塞,另选程序 q运行保护程序 q的现场分析中断原因处理 I/O中断选择可运行程序请求启动程序程序 q
程序 P
用户程序判断状态执行通道程序控制 I/O设备操作,执行情况记录在 CSW
出现中断事件
CSW=>主存通道号,设备号送特定寄存器通道程序执行规定的操作设备控制器和设备
1
2
3
4
5
6
I/O的操作全过程
6.6 典型外部设备
6.6.1 硬盘
6.6.2 时钟
6.6.3 终端输入：原始模式或加工模式缓冲,回送,填充字符,行编辑,
特殊字符处理输出：光标的位臵,转义字符
6.6.1 磁盘几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息 。 从存储角度,与内存比较起来,磁盘有三个主要的优点：
1,可用的存储容量非常大
2,每位的价格非常低
3,电源关掉后信息不会丢失磁盘硬件
实际的硬盘都组织成许多柱面,每一个柱面上的磁道数和垂直放臵的磁头个数相同
磁道又被分成许多扇区,每条磁道上扇区数目典型为 8
至 32,每个扇区包含相同的字节数
磁盘驱动程序有重要设备特性：控制器可以同时控制两 个或多 个驱动 器进行 寻道,这就是 重叠寻 道
（ overlapped seeks）
当控制器和软件等待一个驱动器完成寻道时,控制器可以启动另一个驱动器进行寻道 。 许多控制器也可以在对一个或多个其他驱动器寻道的同时在一个驱动器上进行读写操作
但是控制器不能同时读写两个驱动器 （ 读写数据要求控制器在微秒级范围传输数据,所以一个传输就基本用完了所有的计算能力 ）
磁盘硬件
RAM 盘
RAM盘的思想很简单,它使用预先分配的主存来存储数据块 。 RAM盘具有立即存取的优点 （ 没有寻道和旋转延迟 ）,适用于存储需要频繁存取的程序和数据
实现 RAM盘的思想：根据为 RAM盘分配内存的大小,RAM盘被分成 n块,每块的大小与实际磁盘块的大小相同 。 当驱动程序接收到一条读写一块的消息时,它只计算被请求的块在
RAM盘存储区的位臵,并读出或写入该块,
而不对软盘或硬盘进行读写
6.6.2 时钟
时钟 （ clock）,又称为定时器 （ timer）
(1) 时钟负责提供一天的时间
(2) 防止一个进程垄断 CPU
时钟既不是块设备,也不是字符设备,但时钟软件通常也采用设备驱动程序的形式时钟硬件两种类型：
比较简单的时钟被连到 110V或 220V的电源线上,每个电压周期产生一个中断,频率是 50Hz
或 60Hz
另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器,计数器和存储寄存器石英晶体产生的精确的周期信号,典型的范围是 5到 100MHz
信号送到到计数器,使其递减计数至 0。 当计数器变为 0时,产生一个 CPU中断信号
可编程时钟操作方式：在单脉冲方式 （ one-
shot mode） 下,当时钟启动时,它把存储寄存器的值拷贝到计数器中,然后,晶体的每一个脉冲使计数器减 1。 当计数器为 0时,产生一个中断,并停止工作,直到软件再一次显式启动它
在方波方式 （ square-wave mode） 下,当计数器为 0并产生中断时,存储寄存器的值自动拷贝到计数器,这个过程不断地重复下去 。 周期性的中断称为时钟滴答 （ clock tick ）
可编程时钟的优点是其中断频率可由软件控制时钟软件时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个中断涉及时间的其他所有工作都必须由软件 — 时钟驱动程序完成时钟软件 功能：
1,维护日期时间
2,防止进程超时运行
3,对 CPU的使用情况记帐
4,处理用户进程提出的 ALARM系统调用
5,为系统本身各部分提供监视定时器
6,绘制 CPU运行直方图,完成监视和统计信息收集
系统的其他部分也需要定时器称为监视定时器
（ watchdog timer） 。 例如,使用软盘时,系统必须驱动软盘的电机接通电源并等待大约
500毫秒,使电机达到稳定速度终端
每台计算机都配有一个或多个终端与之通信
为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不同型号的终端不必重写,
终端驱动程序隐藏了各种类型终端的差异终端硬件
根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类：
（ 1） RS－ 232标准接口
（ 2） 是存储映像终端
RS－ 232终端由键盘和显示器构成,通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通信 。 这些终端使用 25针的连接器,其中一针用于发送数据,一针用于接收数据,一针接地,其余 22针用于各种控制功能 （ 大部分未使用 ）
计算机和终端内部工作都是以字符作为处理对象,而通信时却是通过串行口一次一位地进行所以,需要完成从字符到位串与位串到字符的转换芯片 UART （ 通用异步收发器 Universal
Asynchronous Receiver Transmitter）
终端硬件
智能 CRT终端实际是一微小型计算机它们带有一个 CPU和存储器,通常在 EPROM
或 ROM中存储了复杂的程序
从操作系统的角度,玻璃终端和智能终端的主要不同点是：后者理解特殊的转义序列
最高档的智能终端中包含了与主计算机能力相同的 CPU,以及以兆字节为单位的内存,可以从计算机系统下载任何程序终端硬件存储映像终端
本身是计算机的组成部分
存储映像终端是通过专用存储器接口与计算机通信,该专用存储器称为视频 RAM（ video
RAM）,是计算机地址空间的一部分,CPU
对它的寻址与对其他存储器的寻址是一样的
在视频 RAM卡上有一个芯片,称为视频控制器 (video controller),负责从视频 RAM中取出字符,产生用于驱动显示器 （ 监视器 ） 的视频信号
当 CPU将一个字符写到视频 RAM时,在一帧显示周期 （ 单色为 1／ 50秒,彩色为 1／ 60秒 ）
内显示在屏幕上
存储映像终端速度要快得多 。 由于存储映像终端能够最快地交互,所以目前广泛使用这类终端 。
位映像终端与存储映像终端的原理相同,只是视频 RAM中的每一位直接控制屏幕上的每一个像素
800× 1024个像素的屏幕需要 100k字节的 RAM
（ 彩色的则更多 ）,而且提供了更加灵活的字符字体和尺寸,允许多窗口,可制作任意图形存储映像终端输入软件
键盘驱动程序的基本工作是收集键盘的输入信息,当用户程序要从终端读信息时,再把收集到的输入传送给用户程序
键盘驱动程序的 两种处理方式
（ 1） 面向字符的,原始 （ raw） 模式将接收的输入不加修改地向上层传送,从终端读信息的程序得到一系列原始的 ASCII码序列
（ 2） 面向行的,加工 （ cooked） 模式键盘驱动程序负责处理一行内的编辑,并将修改过的行传送给用户程序输出软件
RS－ 232终端与存储终端的驱动程序完全不同
RS－ 232终端常用的方法是使输出缓冲区与每个终端相关联
当程序向终端写时,首先将输出拷贝到缓冲区 。
同样,需要回送的输入也拷贝到缓冲区 。 当输出全部复制到缓冲区 （ 或者缓冲区满 ） 时,向终端输出第一个字符,驱动程序睡眠等待,产生中断时,输出下一个字符,如此循环,直到输出完成
对于存储映像终端,从用户空间一次取出一个要打印的字符,然后直接送入视频 RAM。
