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知识路径： > 计算机系统基础知识 > 软件基础知识 > 操作系统的类型、配置操作系统的功能 > 操作系统基础知识 >
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被考次数：1次
被考频率：低频率
总体答错率：52%
知识难度系数： 
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考试要求：熟悉
相关知识点：6个
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I/O设备类型繁多，从OS观点来看，其重要的性能指标有数据传输速率、数据的传输单位、设备共享属性等。可以从不同角度对I/O设备进行分类。
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（1）按数据传输速率分类。I/O设备按数据传输速率可分为低速设备、中速设备和高速设备。
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①低速设备指传输速率为每秒几个字节到数百个字节的设备。典型的设备有键盘、鼠标、语音的输入设备等。
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②中速设备指传输速率在每秒数千字节至数万字节的设备。典型的设备有行式打印机、激光打印机等。
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③高速设备指传输速率在每秒数十万个字节至数兆字节的设备。典型的设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。
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（2）按设备上数据组织方式分类。I/O设备按设备上数据组织方式可分为块设备和字符设备。
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①块设备指以数据块为单位组织和传送数据的设备，如磁盘、磁带等。其基本特征是传输速率较高，并且可随机读写。
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②字符设备指以单个字符为单位存取信息的设备，如终端、打印机等。其基本特征是传输速率较低，且不可寻址。
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（3）按资源分配的角度分类。I/O设备按资源分配的角度可分为独占设备、共享设备和虚拟设备。
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①独占设备。对这类设备来说，在一段时间内最多只能有一个进程占有并使用它。低速I/O设备一般是独占设备，如打印机、终端等。
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②共享设备。这类设备允许多个进程共享，即多个进程的I/O传输可以交叉。
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③虚拟设备。在一类设备上模拟另一类设备的技术称为虚设备技术。通常是用高速设备来模拟低速设备，以此把原来慢速的独占设备改造成能为若干进程共享的快速共享设备。就好像把一台设备变成了多台虚拟设备，从而提高了设备的利用率。被模拟的设备称为虚设备。
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（1）向用户提供使用外围设备的方便、统一的接口，按照用户的要求和设备的类型控制设备工作，完成用户的输入输出请求。
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（2）充分利用中断技术、通道技术和缓冲技术，提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，以充分利用设备资源，提高外围设备的使用效率。
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（3）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按照一定的策略分配和管理设备，以使系统有条不紊地工作。
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为实现上述目标，设备管理应具有以下功能：设备分配和回收；管理输入输出缓冲区；设备驱动，实现I/O操作；外部设备中断处理；虚拟设备及其实现。
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I/O控制方式有程序I/O方式、中断驱动I/O控制方式、直接存储器访问（DMA）控制方式和I/O通道控制方式。
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（1）程序I/O方式。程序I/O方式又称为忙－等待方式，即在处理机向设备控制器发出一条I/O指令启动输入、输出设备时，要同时把状态寄存器中的忙／闲标志busy置为1，然后不断循环测试busy。当busy=1时，表示输入机尚未输完，继续测试，直至busy=0，表示输入机已经将输入数据送入控制器的数据寄存器中，于是处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定单元中，接着，再启动去读下一个数据。
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（2）中断驱动I/O控制方式。当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回执行原来的任务。设备控制器便按照该命令的要求去控制I/O设备。
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在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须CPU干涉，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花费极短的时间去进行中断处理。
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（3）直接存储器访问（DMA）控制方式。在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。除了控制状态寄存器和数据缓冲寄存器之外，DMA控制器中还包括传输字节计数器、内存地址寄存器等。DMA方式采用窃取（或挪用）处理机的工作周期和控制总线的方式，来实现辅助存储器和内存之间的数据交换。有的DMA方式也采用总线浮起方式传输大批量数据。在内存与输入输出设备间传送一个数据块的过程中，不需要CPU的任何干涉，只需要CPU在过程开始启动（即向设备发出"传送一块数据"的命令）与过程结束（CPU通过轮询或中断得知过程是否结束和下次操作是否准备就绪）时的处理，实际操作由DMA硬件直接执行完成，CPU在此传送过程中可做别的事情。
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（4）I/O通道控制方式。在一般大型计算机系统中，主机对外围设备的控制可以分成3个层次来实现，即通道、控制器和设备。引入通道的目的是使数据的传输独立于CPU，使CPU从繁重的输入输出工作中解脱出来。设置通道后，CPU只需向通道发出输入输出命令，通道收到命令后，从内存中取出本次输入输出要执行的通道程序并执行，仅当通道完成输入输出任务后，才向CPU发出中断信号。
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通道相当于一个功能单纯的处理机，它具有自己的指令系统，并可以执行由这些指令编写的通道程序。通道的运算控制部件包括以下几个。
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①通道地址字（CAW）。记录下一条通道指令存放的地址，其功能类似于中央处理机的指令寄存器。
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②通道命令字（CCW）。保存正在执行的通道指令，其作用相当于中央处理机的指令寄存器。
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③通道状态字（CSW）。记录通道、控制器和设备的状态，包括I/O传输完成信息、出错信息及重复执行次数等。
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通道一般需要与主机共享同一个内存，以保存通道程序和交换数据。通道访问内存采用"周期窃用"方式。
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采用通道方式后，CPU在执行用户程序时遇到I/O请求，可以根据用户的I/O请求生成通道程序放到内存中，并把该通道程序首地址放入CAW中。然后，CPU执行"启动I/O"指令，启动通道工作。通道接收"启动I/O"指令信号，从CAW中取出通道程序首地址，并根据此地址取出通道程序的第一条指令，放入CCW中；同时向CPU发应答信号，通知"启动I/O"指令执行完毕，CPU可继续执行。而通道开始执行通道程序，进行物理I/O操作。执行完一条指令，如果还有下一条指令则继续执行；否则表示传输完成，同时自行停止，CPU转去处理通道结束事件，并从CSW中得到有关通道的状态信息。
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中断和通道的引入为CPU与外设之间的并行操作提供了可能性，但CPU与外部设备之间速度的不匹配，以及外部设备频繁地中断CPU的运行，仍会降低CPU的使用效率。
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缓冲是计算机系统中常用的技术。一般地，凡是数据到达速度和离去速度不匹配的地方都可以采用缓冲技术。操作系统中以缓冲方式实现设备的输入输出操作主要是缓解处理机与设备之间速度不匹配的矛盾，并减少对CPU的I/O中断次数，从而提高资源利用率和系统效率。
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缓冲区可以由硬件实现，称为硬缓冲。硬缓冲区通常设在设备中，如设在打印机中。缓冲区也可以由软件实现，即在内存空间中开辟专门用于数据传输过程中暂存数据的区域。
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实现缓冲时，由于缓冲区属于系统中的重要资源，为了提高其利用率，一般将系统中所有缓冲区集中起来统一管理，构成缓冲池（缓冲区队列）。缓冲池属于操作系统空间，用户程序不能直接对其进行操作，只能通过系统调用来间接地使用。
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设备分配的任务是按照一定的策略为申请设备的进程分配合适的设备、控制器和通道。为了提高系统的适应性和均衡性，应考虑设备的独立性，即不能因物理设备的更换而影响用户程序的正常运行；还要考虑系统的安全性，即设备分配不能导致死锁现象的发生。
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（1）设备独立性。进程申请设备时，应当指定所需设备的类别，而不是指定某一台具体的设备，系统根据当前请求以及设备分配情况在相应类别的设备中选择一个空闲设备并将其分配给申请进程，这称为设备独立性。它具有以下两个优点：提高设备资源利用率，假设申请者指定具体设备，被指定的设备可能正被占用，因而无法得到，而其他同类设备可能空闲，造成资源浪费以及进程不必要的等待；不必因指定设备状态的改变而修改程序。
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（2）独占设备的分配。独占设备通常采用静态分配的方式，即设备的分配是在作业开始运行之前，并且直到作业运行结束才收回设备。但由于单个作业往往不是连续地、自始至终地使用某台设备，所以静态分配方式下的设备利用率较低。为了提高设备利用率，可采用动态分配方式，即把设备的分配推迟到进程真正使用某设备时才进行，并且一旦停止使用便立即收回，而不管整个作业是否运行结束。
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独占设备的分配策略可以采用先请求先服务算法或最高优先级者先服务算法。但是，由于这类设备的独占性是产生死锁的必要条件之一，因此在实施设备动态分配方式时必须考虑分配的安全性，避免由于分配不当而导致死锁发生。在配有通道的计算机系统中，实施分配应考虑整个数据传输通道的分配，即同时要分配设备以及与其相连的控制器和通道。
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（3）共享设备的分配。在多道程序系统中，各进程对共享设备的访问极其频繁，因而对共享设备的使用是否适当，将直接影响着系统的效率。共享设备的管理比较复杂，操作系统应准备随时进行设备的分配和回收，还要保证当两个以上的进程需要同时使用某个设备时，解决好使用正确性的问题；而且也要考虑如何合理地利用设备以改善系统的性能问题。
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（4）SPOOLing系统。SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-Line，同时的外围设备联机操作）是为解决独占设备数量少、速度慢、不能满足众多进程的要求，在进程独占设备期间设备利用率又比较低的情况而提出的一种设备管理技术。它是一种虚拟设备技术，其核心思想是：在一台共享设备（通常是高速、大容量磁盘）上模拟独占设备的操作，把一台低速的独占设备改造成若干台可并行操作的虚拟设备，即把独占设备变成逻辑上的共享设备。
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SPOOLing系统将一个作业从进入系统，到完成后撤离系统的全过程划分成输入、处理和输出3个并发执行的过程。当用户作业要进入系统时，由SPOOLing系统的预输入程序将作业信息从物理输入设备上送到磁盘上指定区域（称为输入井）；当用户进程运行过程中需要使用输入数据时，可以直接从输入井读入数据；当用户进程需要数据时，可以先将输出数据送往磁盘上另一指定区域（称为输出井）；最后，当作业完成后由缓冲程序依次将输出井上的数据送到物理输出设备上。SPOOLing系统的引入也缓解了CPU与设备速度不匹配性，提高了CPU与设备的并行程度。
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设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，其主要任务就是接收上层软件发来的抽象要求，再把它转换为具体要求后发送给设备控制器，启动设备去执行。此外，它也将设备控制器发来的信号传送给上层软件。
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设备驱动程序负责接收和分析从设备分配来的信息以及设备控制块等内容，结合具体物理设备的特性，完成以下功能。
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（2）检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。
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（3）发出I/O命令，启动分配到的I/O设备，完成指定的I/O操作。
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（4）及时响应由控制器或通道发来的中断请求，调用相应的中断处理。
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