在计算机系统中，除了需要有处理机和存储器外，还需要有用于实现信息输入、输出和存储的设备。设备管理程序便是用于对这类设备进行控制和管理的一组程序。设备管理是操作系统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。

在一个计算机系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器。在大、中型计算机系统中，还需有I/O通道，由这些设备以及相应的总线构成了I/O系统。

I/O设备管理系统结构图

I/O设备的特点分析

操作系统需要管理的最复杂的资源——I/O设备

I/O设备种类繁多，工作模式各不相同
I/O设备数据多样，处理方式各不相同
I/O设备性能参差，运行控制多种多样

最容易成为计算机系统的瓶颈——I/O设备

很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大
进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈
I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作

最实用、最体现操作系统特色的工作——I/O管理

兼容性：操作系统最难以完成的使命
标准化：IT技术迅速普及发展的本质
高性能：I/O设备发展的主要目标

I/O设备分类

按照设备的功能特性划分

存储型设备：保存各类数据（临时或永久）
输入输出型设备：提供人机交互手段
数据通信型设备：实现电子数据交换

按照数据的组织形式划分

块设备：以数据块为单位存储、传输数据
字符设备：以字节为单位存储、传输数据

按照资源分配的形式划分

独占式设备：一个时刻只能由一个进程使用，一般为低速I/O设备
共享式设备：一个时刻可由多个进程使用，资源利用率很高
虚拟式设备：用高速设备模拟低速设备，用共享设备模拟独占设备

按照程序使用的方式划分

逻辑设备：由操作系统维护，简便用户操作和控制的“设备结构”
物理设备：由硬件结构组成，真实完成各类I/O设备操作

I/O设备的差别

I/O设备的评价标准

设备的数据传输单位和传输率
设备的数据表示和应用目标
设备的控制方式和出错情况

I/O管理的任务和目标

根据用户请求，控制各类I/O设备实现用户的目标

控制设备操作，实现设备与内存的数据交换
设备的分配与回收、设备驱动程序、设备中断管理、各类缓冲区管理等

向用户提供方便的I/O设备接口，屏蔽底层硬件细节差别

虚拟机——逻辑设备的作用：用户能够简单方便的使用I/O设备
设备接口的方便性、友好性、透明性、设备无关性

利用各种技术，提高I/O设备的运行效率

设备与CPU之间、设备之间的并行
设备负载的均衡：保持设备的充分忙碌

实现对I/O设备的管理和保护

设备的分配与回收：针对独占设备和共享设备，实现合理的资源分配
设备的数据保护：不同设备之间的保护、设备内部的保护

I/O设备硬件组成

I/O设备的硬件结构

机械部分（物理装置）：由模拟信号驱动的各种机械装置
控制器/适配器（电子装置）：实现与主机的连接和通信

设备控制器的工作方式

常以板卡的形式与主板的总线插槽连接
通过设备的接口寄存器、缓冲区与CPU进行通信

设备控制器的工作内容

地址译码：实现对I/O地址空间的正确映射
外部通信：接受或者发送数据/状态信号
执行指令：将数字化指令转化为机械装置能够理解的模拟信号
性能增强：实现内部硬件缓冲、完成数据加工等性能提升目标

操作系统的硬件环境

I/O设备接口的工作流程

I/O操作过程的细分

准备、启动、测试和等待、结果检查和错误处理

I/O设备接口的作用

接口寄存器：保存命令、状态或者数据
接口缓冲区：用来保存大量数据的缓冲区
通过I/O设备接口，CPU可以设定指令或状态、可以读取状态和结果

I/O设备接口的工作方式

设置命令寄存器和状态寄存器：CPU通过总线与I/O接口通信
I/O设备与CPU并行工作：控制器根据指令完成相应I/O操作
通过中断向CPU发出信号：工作完成后通过硬件中断通知CPU

IBM PC的软盘控制器

可接受15条指令：READ、WRITE、SEEK、FORMAT等
各条指令均可带参数，指令和相关参数均被设置到接口寄存器中
位串行工作机制：驱动器提供“位流”，控制器负责在缓冲区中将其组装为字节，并进行必要的校验和纠错

显示器的控制器

位串行工作机制：从显示缓冲区中读取可供显示的内容，而后产生用来调制CRT电子束的信号

I/O设备接口的价值

屏蔽底层硬件细节，降低应用者的操作难度
体现模块化的特点，适应不同的应用环境
通过对I/O设备接口进行标准化，即可方便实现兼容

计算机的系统结构图

I/O设备的连接与地址映射

I/O设备的连接方式

连接路径：I/O设备与CPU建立连接时，所有有关组件构成连接路径
I/O端口：I/O设备接口中有多个接口寄存器或缓冲区，每一个寄存器或缓冲区被称为一个I/O端口
I/O端口地址空间：实现对I/O接口寄存器/缓冲区的访问

I/O设备端口的编址方式

I/O端口独立编址：与内存空间完全独立
内存映射I/O地址：在内存空间中划分固定区域映射I/O端口

I/O地址空间的编址方式和使用差别

指令运行差别：访问的地址空间不同
系统资源消耗：所需要的资源数不同
优缺点权衡：总线规格、地址信息传输与过滤、系统性能等因素

I/O端口独立编址模式

I/O地址与内存空间完全独立

使用专用的I/O指令对I/O端口进行操作

优缺点分析

优点1：I/O设备不占用内存地址空间，减少系统资源消耗
优点2：技术实现复杂度低，易于区分I/O地址和内存地址
缺点：由于地址空间独立、狭小，导致指令类型少，只能使用简单的汇编语言编程

I/O端口的内存映射编址方式

I/O端口地址空间和内存地址空间统一编址

I/O端口地址也被作为物理地址空间的一部分进行存储管理
CPU访问地址空间时，将对地址空间的范围进行判断，然后选择读取内存空间或者访问I/O端口

内存映射编址的优缺点分析

优点1：使得技术实现手段更加方便，可用C语言编写驱动程序
优点2：不需要对I/O地址空间进行特殊保护，只需要利用现有的存储保护机制（例如分页式中的页表项设置）
优点3：使得I/O端口的指令更加灵活多样
缺点1：内存映射方式中必须保证I/O端口的实时性（禁用高速缓存）
缺点2：对于双总线或者多总线结构而言，I/O端口的地址映射将比较困难和麻烦

I/O端口地址的映射与访问

系统总线对I/O端口编址的影响

欢迎大家加我微信交流讨论（请备注csdn上添加）

设备管理之I/O系统相关推荐

用键盘打开计算机管理,windows10系统使用键盘打开设备管理器的三种方法
我们经常都会通过设备管理器,来查看windows10系统中的硬件是否已经正常安装驱动.那么,在鼠标没用的情况下,该如何打开win10设备管理器呢?接下来,系统城小编给大家介绍下没有鼠标直接使用键盘打开 ...
MES系统设备管理概述（下）
设备管理系统中主要包括台账管理,保养管理,维修,备件,状态监控,智能语音播报等基本信息. 在MES管理系统中,设备管理系统中主要包括台账管理,保养管理,维修,备件,状态监控,智能语音播报等基本信息,利 ...
计算机设备管理器不显示com,台式机设备管理器打开是空白怎么办_win10设备管理无法显示解决方法...
2015-06-15 14:08:22 浏览量:2252 win7设备管理器空白怎么办?最近有用户反馈打开设备管理器的时候,发现win7设备管理器显示空白,该怎么处理这个问题?下面跟随小编脚步一起看看 ...
计算机设备管理系统报告,设备管理信息化自查报告
设备管理信息化自查报告设备是各个领域发展必不可少的重要元素,各行各业都需要依靠设备来完成生产与操作,可见,设备对于企业发展的重要性.现阶段,各个企业的设备数量在不断增加,进而引发的设备管理问题变得尤 ...
系统蓝屏的几种姿势，确定不了解下么？
前言在蓝屏(BSOD)转储设置,看本文就够了!这篇文章里比较详细的介绍了蓝屏转储设置.做好设置后,我们就可以在需要的时候使系统蓝屏了.本文介绍几种使系统蓝屏的办法,当然肯定还有其它办法,如果哪位小 ...
设备管理器android感叹号,设备管理器其他设备感叹号
设备管理器其他设备感叹号客观地讲,常规的设备管理器问题与设备管理器在哪,设备管理其怎么打开以及设备管理其其他设备感叹号是什么问题等.本文重点介绍设备设备管理器其他设备感叹号相关问题,希望能够为对此有 ...
pks服务器清除归档文件路径,HoneywellPKS系统维护手册.doc
HoneywellPKS系统维护手册 Honeywell PKS系统维护手册日常维护第二章卡件更换第三章控制器第四章 I/O卡件第五章电源第六章颜色代码第七章常见故障第八章 ...
【系统】《写给大忙人看的操作系统》--研读
文章主要结构图操作系统现代计算机系统由一个或多个处理器.主存.打印机.键盘.鼠标.显示器.网络接口以及各种输入/输出设备构成. 然而,程序员不会直接和这些硬件打交道,而且每位程序员不可能会掌握所有 ...
win10安装linux系统视频播放器,u盘安装linux视频mac制作win10安装u盘
5. 用柔软的湿布清除打印机内部灰尘.污迹.墨水渍和碎纸屑,防止损坏.其次,用万用表检查外部电压是否符合要求,雨林木风win8系统,电压过高或过低都可能引起主机电源发生过压或欠压电路的自动停机保护飞 ...
操作系统春招面试复习之：设备管理
一.I/O管理概述 1.1 计算机I/O系统结构 1.2 I/O管理示意图 1.3 I/O的特点 I/O性能经常称为系统性能的瓶颈操作系统庞大复杂的原因之一:资源多.杂,并发,均来自I/O 速度差异 ...

设备管理之I/O系统