操作系统原理:输入/输出设备概述

计算机系统的两个主要任务是计算处理和输入/输出（I/O）处理。操作系统的输入/输出管理（简称I/O管理，或称设备管理）负责管理和控制I/O操作和I/O设备。I/O设备是计算机系统中除中央处理机、主存储器之外的所有其他的设备。

计算机系统中使用的设备可分为存储设备、I/O设备和传输设备。存储设备是计算机用来存储信息的设备，如磁盘、磁带、光盘。I/O设备包括输入设备和输出设备两类。输入设备是计算机用来“感受”或“接触”外部世界的设备，它将从外部世界来的信息输入计算机。例如，键盘、输入机、电传输入机、数字化仪、模数转换器等。输出设备是计算机用来“影响”或“控制”外部世界的设备。它将计算机加工好的信息输出给外部世界。输出设备有宽行打印机、激光打印机、数模转换器、绘图仪等。此外，还有各种通信设备负责计算机之间的信息传输，如调制解调器、网卡等。

有的设备既可作为输入设备，也可作为输出设备，如电传打字机。设备还可以按传输的信息特点来分类，如有些设备上的信息是以字符为单位组织的，这样的设备称为字符设备；如果设备上的信息是以块为单位组织的，则称为块设备。外部设备的经济价值在整个计算机系统中占有相当大的比重，比如一个具有磁盘、光盘、激光打印机和终端的微型计算机系统，外部设备的价值占整个系统价值的60%左右。所以，操作系统设计的第一位目标应是有效地使用这些设备。

提高设备利用率的关键是实现设备的并行操作。这既要求设备传输与CPU运行能高度重叠，又要求设备之间能充分地并行工作。通道和中断的引入仅仅为CPU的执行和信息传输提供了并行工作的可能性，而要使这种可能变为现实，还必须由操作系统提供相应的功能。这一功能需要利用硬件提供的通道、中断技术，以及各种外部设备提供的物理性能的支持来共同实现多作业及多进程对各种外部设备的共享，并方便地完成它们所需进行的传输工作。完成这一功能的程序模块称为I/O子系统。

操作系统的第二个目标是方便用户的使用。为此，I/O管理应使用户摆脱具体的、复杂的物理设备特性的束缚，提供方便灵活地使用外设的手段。否则，用户不论是使用字符设备还是使用存储设备都是非常困难的。比如，在早期的计算机系统中，为了从慢速字符设备输入（输出）数据，用户必须了解具体设备的特性，以便确定实际的物理设备地址。此外，还得了解设备使用的细节，这样才能使每个设备为程序提供数据。这对用户而言太麻烦了，而且在多用户共享系统资源的情况下，由用户自行使用是不可能的事。为此，系统必须屏蔽一切物理设备特性，为用户建立虚环境。用户只要在程序中使用I/O管理模块提供的系统调用（指出设备逻辑名、操作方式、传输地址）就可由系统负责完成信息转换、设备分配、I/O控制等一系列工作。

I/O管理是操作系统中最庞杂、琐碎的部分，它很难规格化且有着众多的特殊方法，其原因是系统可配置使用各种各样、范围极其广泛的外部设备。每一台设备的特性和操作方法完全不同，特别是下述的一种或多种性能很不相同。(www.xing528.com)

①速度。在不同的设备之间数据传输速率可能有几个数量级的差别。例如，鼠标、硬盘、CD-ROM的速度相差很远。

②传送单位。根据使用的外部设备不同，数据传输的单位可以是字符、字、字节或块等。一般慢速字符设备数据传输的单位是字符或字，而像磁盘、光盘这样的旋转设备的数据传输单位为块。

③顺序或随机访问。顺序设备按固定的顺序传输信息；而对随机访问设备而言，用户可通过任意记录号提出传输请求。

④出错条件。根据所使用的外部设备的不同，数据传输失败可以有多种原因，如奇偶校验错、磁盘损坏等。

显然，上面列举的多样性很难用统一的方法处理。I/O管理的宗旨就是要为I/O系统建立一种结构，要求该结构中与具体设备有关的特性尽可能地分离出来。这样一方面可为用户提供一个逻辑的、使用方便的设备，另一方面对各种设备的处理也可达到某种程度的一致性。I/O子系统将设备的特性与处理它们的程序分离，使某一类设备共用一个设备处理程序，而操作的不同部分能唯一地从有关具体设备的特性参数信息中得到。为了将设备特性分离开来，对每个设备可构造一个设备控制块，其中含有该设备的特性。