字符设备-高可靠软件试验室.PPT

设备管理与I/O系统 Instructor: Hengming Zou, Ph.D. 内容提要 1. 设备管理概述 2. I/O硬件特性 3. 设备管理的实现技术 4. I/O软件的结构 5. Windows I/O系统的结构 6. Windows I/O系统的核心数据结构 7. Windows的I/O处理 设备管理概述 I/O系统是操作系统的一个重要的组成部分，负责管理系统中所有的外部设备 在计算机系统中除CPU和内存储外所有的设备和装置统称为计算机外部设备（外围设备、I/O设备） 设备管理的意义 设备的分类 设备管理的任务和功能 设备管理的意义 操作系统复杂和庞大的主要原因是它所管理的资源的庞杂和并发技术的采用，而输入输出设备的庞杂正是操作系统所管理的资源庞杂的主要原因，输入输出设备的速度远低于处理器的速度正是导致并发技术产生的直接原因 所以，I/O系统的性能是操作系统总体性能的重要决定因素、重要表现指标和常见瓶颈之一，因此设备管理在操作系统中具有十分重要的地位 设备管理的意义 设备管理的意义表现在以下几方面： 输入输出设备的性能经常成为系统性能的瓶颈，CPU性能越高，输入输出设备性能同CPU性能不匹配的反差也越大。如何解决这一矛盾，而又尽量不降低处理机的性能，是设备管理的一项重要任务 输入输出设备千变万化，怎样对它们实现统一的管理，从而方便用户使用是设备管理的又一项重要任务 在应用中，输入输出设备能否及时将各种信息传送给计算机系统，计算机发出的各种命令能否通过输入输出设备及时传送给执行部件，对于实时处理和控制系统而言，是至关重要的 用户对输入输出设备的使用必须是安全的。如何保证安全正确地使用设备，也是设备管理的重要任务 设备的分类 按设备的使用特性分类：输入输出设备（狭义）和外存设备 按信息组织方式分类：字符设备（character device）和块设备（block device） 键盘、终端、打印机等以字符为单位组织和处理信息的设备被称为字符设备；磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理信息的设备被称为块设备 设备的分类 按设备使用可共享性分类：独占设备、共享设备和虚拟设备 独占设备是指在任一给定的时刻只能让一个进程使用，即必须保证一个进程对一个具体设备在可能相当长的时间内拥有唯一存取权 共享设备是指能够同时让许多进程使用的设备。磁盘是典型的共享设备，多个进程同时在同一磁盘上拥有打开的文件不会带来任何不良后果 虚拟设备是指设备本身是独占设备，而经过某种技术处理，可以把它改造成共享设备，同时分配给多个进程 设备的分类 按输入输出对象分类：人机通讯与机机通讯设备 按是否交互分类：非交互设备与交互设备 机机通讯设备、外存、卡带机等属于非交互设备，终端为交互设备 按数据传输率分类：高速设备和低速设备 设备管理的任务和功能 用户对I/O设备的使用要求是方便、高效、安全、正确，相应地，设备管理功能也就应该在计算机硬件结构提供的既定设备范围及其连接模式下，完成为用户对I/O设备的使用过程提供方便、提高效率、提供保护这三方面的任务 设备管理的任务和功能 1．方便性方面 用户总是希望方便地使用I/O设备，但是I/O设备种类繁多，处理过程非常复杂，涉及到大量I/O细节，如寄存器、中断、控制字符、设备字符集等。如果让用户直接使用设备硬件接口，是十分不便的 为了弥补硬件接口给用户带来的不便，操作系统的设备管理部分提供了两个主要的功能： 抽象接口 设备独立性 设备管理的任务和功能 1．方便性方面——抽象接口 提供简便易用的高级逻辑接口，这些接口由对逻辑设备的逻辑操作组成 实现抽象接口到物理接口的转化，即将高级逻辑操作转化为低级物理操作，将逻辑设备和逻辑性质转化为物理设备和物理性质，以便掩盖设备的硬件物理操作和组织的细节 设备管理的任务和功能 1．方便性方面——设备独立性 设备独立性是指用户在编写程序时所使用的设备与实际设备无关 两类设备独立性： 1.一个程序应独立于分配给它的某类设备的具体设备。即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型即可。如在系统中配备了两台打印机，用户要打印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可 2.程序要尽可能地与它使用的设备类型无关。即在用户程序中只要指出要输入或输出信息，至如信息I/O使用的设备不需用户指明 设备管理的任务和功能 1．方便性方面——设备独立性 设备独立性的优点 1.方便用户编程 2.使用程序运行不受具体的机器环境的限制 3.便于程序移植 设备独立性的实现 把设备与文件统一处理，对于用户来说，并没有设备的概念 设备管理的任务和功能 2．效率方面 用户永远关心效率：非系统用户关心程序运行效率与操作效率；系统用户关心系统利用率、系统代价、系统工作效率 为了提高设备与CPU的效率，引入了大量的技术如中断、