最终的所有14设备管理

1、外部设备：外部设备：计算机系统中除了中央处理机和计算机系统中除了中央处理机和主存储器外的其它设备称为外部主存储器外的其它设备称为外部设备。设备。设备管理就是对外部设备进行统一的管理，向用设备管理就是对外部设备进行统一的管理，向用户提供简单而一致的方式访问各种户提供简单而一致的方式访问各种I/O设备。设备。按工作特点：按工作特点：输入输出设备输入输出设备存储设存储设备备按资源分配方式：按资源分配方式：独占设备独占设备共享设备共享设备虚拟设备虚拟设备按信息交换单位：按信息交换单位：字符设备字符设备块设备块设备CPU存储器存储器高速高速I/O设备设备共享总线共享总线低速低速I/O设备设备设备控制器设

2、备控制器位于位于CPUCPU与设备之间，接收与设备之间，接收CPUCPU下达的输入、输出命令下达的输入、输出命令并控制具体设备实现操作。并控制具体设备实现操作。一个控制器可控制一个或多个一个控制器可控制一个或多个I/OI/O设备。设备。存在形式为各种接口卡。存在形式为各种接口卡。接收和识别命令；数据暂存、缓冲；监测设备状态。接收和识别命令；数据暂存、缓冲；监测设备状态。数据接口、控制接口、状态接口数据接口、控制接口、状态接口数据线数据线数据寄存器数据寄存器地址线地址线I/O逻辑逻辑控制线控制线数据信号数据信号控制信号控制信号状态信号状态信号数据信号数据信号控制信号控制信号状态信号状态信号控制器

3、与控制器与设备接口设备接口控制器与控制器与设备接口设备接口设备管理的主要任务就是控制设备与设备管理的主要任务就是控制设备与CPU间的数据传递，主要有以下数传控制方式：间的数据传递，主要有以下数传控制方式：中断控制方式中断控制方式2直接内存访问（直接内存访问（DMA）方式）方式3通道（通道（ChannelChannel）方式）方式4程序查询方式程序查询方式1由程序循环查询外部设备的状态，在外设进行数由程序循环查询外部设备的状态，在外设进行数据处理时据处理时CPU只能等待。只能等待。开始接收开始接收数据数据有数据有数据接收？接收？否否是是忙等忙等接收接收开始发送开始发送数据数据设备空闲？设备空闲？

4、否否是是忙等忙等发送发送外部设备与外部设备与CPU之间传递数据通过专门的中断请求之间传递数据通过专门的中断请求信号来进行。信号来进行。 I/O操作由程序发起，在操作完成时操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向（如数据可读或已经写入）由外设向CPU发出中断，发出中断，CPU完成数据的读写。完成数据的读写。要求：要求：专门的中断请求线、专门的中断标志位专门的中断请求线、专门的中断标志位优点：优点：在外设进行数据处理时，在外设进行数据处理时，CPU不必等待不必等待实现了让权等待。实现了让权等待。缺点：缺点：CPU每次处理的数据量少（通常以字节为单每次处理的数据量少（通常以字节为

5、单位），适于数据传输率较低的设备。位），适于数据传输率较低的设备。进程利用中断实现输入、输出流程：进程利用中断实现输入、输出流程：初始化初始化阻塞等待输入阻塞等待输入控制设备控制设备完成输入完成输入根据中断类型唤醒等待进程根据中断类型唤醒等待进程设备产生输入中断设备产生输入中断输入向设备输出数据向设备输出数据阻塞等待输出完成阻塞等待输出完成根据中断唤醒等待进程根据中断唤醒等待进程设备产生输出中断设备产生输出中断输出引入思想：减少引入思想：减少CPU在数据传递过程中的干预，在数据传递过程中的干预， DMA控制器完成内存与外设的成批数据交换。控制器完成内存与外设的成批数据交换。优点：优点：CPU只

6、需干预只需干预I/O操作的开始和结束，而其中操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需的一批数据读写无需CPU控制，适于高速设备。控制，适于高速设备。System BusI/OControllerI/OControllerProcessorDMAControllerMemory.1.1. 由程序设置由程序设置DMADMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址，控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起传送字节数），然后发起I/OI/O操作；操作；2.2. 数据直接在数据直接在DMADMA控制器控制下通过总线传递到内存中；控制器控制下通过总线传递到内存中；3.3. 在完成指定量的数据

7、接收后，在完成指定量的数据接收后，DMADMA控制器才向控制器才向CPUCPU产生产生中断；中断；4.4. 通过中断处理程序唤醒等待数据的进程；通过中断处理程序唤醒等待数据的进程；5.5. 等待数据的进程经过调度处理输入的数据。等待数据的进程经过调度处理输入的数据。DMA过程：过程：不再每个字符传递后发中断，实现了块传递不再每个字符传递后发中断，实现了块传递再中断，减少了再中断，减少了CPUCPU的占用时间的占用时间通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程通道：通道：通道是一种特殊的处理机，具有执行通道是一种特殊的处理机，具有执行I/OI/O指令指令

8、的能力，通过执行通道程序来控制的能力，通过执行通道程序来控制I/OI/O操作。操作。1、通道程序有自己的指令系统，是一个相对完整的过程。、通道程序有自己的指令系统，是一个相对完整的过程。CPU只需向通道发出一条指令，通道便从内存中取出本次执只需向通道发出一条指令，通道便从内存中取出本次执行的通道程序并执行。行的通道程序并执行。2、通道之间可以并行执行，进一步减少了、通道之间可以并行执行，进一步减少了CPU对输入输出过对输入输出过程的干预。提高程的干预。提高CPU与设备之间的并行性，提高资源利用率。与设备之间的并行性，提高资源利用率。3、主机具有一个或多个通道，一个通道可管理一个或多个设、主机具

9、有一个或多个通道，一个通道可管理一个或多个设备控制器；通道和备控制器；通道和CPU共享一个主存共享一个主存特点：特点：作用：作用：解决解决CPUCPU与与I/OI/O设备速度匹配问题设备速度匹配问题速度速度1速度速度2基本思想：基本思想： 在内存中开辟一定的在内存中开辟一定的专用区域，作为专用区域，作为CPUCPU和和I/OI/O设备之间进行信息交流的设备之间进行信息交流的工作区工作区缓冲区缓冲区专用缓冲区：专用缓冲区：为某台设备专门设置的，单独使用的缓冲区为某台设备专门设置的，单独使用的缓冲区公用缓冲区：公用缓冲区：为多台或者全部设备设置的，共享的缓冲区为多台或者全部设备设置的，共享的缓冲区

10、按使用方式划分：按使用方式划分：按数量划分：按数量划分：单缓冲区单缓冲区双缓冲区双缓冲区多缓冲区多缓冲区 循环缓冲循环缓冲缓冲池：缓冲池：由多个大小相等的缓冲区连接起来构成缓冲池由多个大小相等的缓冲区连接起来构成缓冲池在在CPUCPU和设备之间设置一个缓冲区和设备之间设置一个缓冲区速度速度1速度速度2注意：注意：1. 单缓冲区是临界资源，读写单缓冲区是临界资源，读写必须互斥访问。必须互斥访问。2. 单缓冲区只能实现匹配速度，单缓冲区只能实现匹配速度，不能实现并行操作。不能实现并行操作。在在CPUCPU和设备之间设置两个缓冲区和设备之间设置两个缓冲区设备设备1设备设备2CPU提高了提高了CPU与

11、设与设备之间的并行度备之间的并行度多个缓冲区循环使用，类似循环队列多个缓冲区循环使用，类似循环队列next_innext_outCPU设备输入设备输入可供多个对象共享的公用缓冲区组成的缓冲池可供多个对象共享的公用缓冲区组成的缓冲池缓冲区缓冲区 1缓冲区缓冲区 2缓冲区缓冲区 3缓冲区缓冲区 4缓冲区缓冲区 1缓缓冲冲区区缓缓 冲冲 体体缓缓冲冲区区首首部部设备号设备号缓冲区号缓冲区号缓冲区地址缓冲区地址状态状态数据块号数据块号互斥标识位互斥标识位设备缓冲设备缓冲队列指针队列指针数数 据据缓冲池中的缓冲区根据使缓冲池中的缓冲区根据使用情况划分为用情况划分为3 3种队列：种队列：inqinq：满输

12、入缓冲区队列：满输入缓冲区队列outqoutq：满输出缓冲区队列：满输出缓冲区队列emptyqemptyq：空缓冲区队列：空缓冲区队列从设备输入的数据缓冲区队列从设备输入的数据缓冲区队列准备向设备输出的数据缓冲区队列准备向设备输出的数据缓冲区队列缓冲池操作（四种操作）缓冲池操作（四种操作）设备输入数据到缓冲池设备输入数据到缓冲池get empty buffer;fill data in buffer;put buffer in inq;收容输入收容输入用户从缓冲池读入数据用户从缓冲池读入数据get buffer from inq;calculet data in buffer;put buff

13、er back to emptyq提取输入提取输入用户向数据缓冲池输出数据用户向数据缓冲池输出数据get buffer from outq;Send data;put buffer in emptyq;收容输出收容输出设备从缓冲池中读出输出数据设备从缓冲池中读出输出数据并完成输出并完成输出get buffer from emptyq;fill data in buffer;put buffer outq;提取输出提取输出缓冲池缓冲池设备设备用户用户设备分配：设备分配：按一定策略和原则为申请设备的进程分配按一定策略和原则为申请设备的进程分配设备，设备，包括对包括对设备、设备控制器、通道设备、设备

14、控制器、通道的分配。的分配。分配原则：分配原则：1 1、保证申请设备的进程能分配到设备。、保证申请设备的进程能分配到设备。2 2、保证设备分配给该进程是安全的。、保证设备分配给该进程是安全的。分配方式：分配方式：静态分配、动态分配静态分配、动态分配1 1、设备控制表、设备控制表DCTDCT（Device Control TableDevice Control Table）记录设备信息及设备的控制器表记录设备信息及设备的控制器表设备标识设备标识设备类型设备类型设备状态设备状态设备地址或设备号设备地址或设备号设备等待队列指针设备等待队列指针I/O控制器指针控制器指针每个设备一张，可动态更改每个设备

15、一张，可动态更改记录系统中所有设备情况记录系统中所有设备情况DCT指针指针占用设备的占用设备的进程标识进程标识设备类型设备类型一个系统只有一张一个系统只有一张每个设备在每个设备在SDTSDT中占一个表项中占一个表项3 3、控制器表、控制器表COCTCOCT（Controller Control TableController Control Table）4 4、通道控制表、通道控制表CHCTCHCT（Channel Control TableChannel Control Table）记录记录 I/O I/O 控制器控制器信息及通道控制表信息及通道控制表记录通道信息记录通道信息设备名设备名设备

16、控制表设备控制表设备名设备名设备控制表设备控制表设备名设备名设备控制表设备控制表设备名设备名设备控制表设备控制表SDTSDT设备名设备名设备控制器设备控制器设备名设备名设备控制器设备控制器状态状态状态状态控制器名控制器名通道控制表通道控制表状态状态控制器名控制器名通道控制表通道控制表状态状态DCTDCTCOCTCOCT通道标识通道标识状态状态通道标识通道标识状态状态CHCTCHCT申请申请SDTDCTCOCTCHCTP 130 图图2.451、设备的固有属性：独占（静态分配）、共享（动态分配）、设备的固有属性：独占（静态分配）、共享（动态分配）2、分配的算法：当申请设备的进程有多个、可用设备有

17、多个时、分配的算法：当申请设备的进程有多个、可用设备有多个时3、设备分配的安全性：死锁、设备分配的安全性：死锁先申请的进程先满足先申请的进程先满足FIFO； 按进程的优先级分配按进程的优先级分配安全分配：非请求和保持，安全分配：非请求和保持，CPU与设备串行工作与设备串行工作不安全分配：分配设备时应该进行安全性状态检测不安全分配：分配设备时应该进行安全性状态检测4、逻辑设备与物理设备的独立性、逻辑设备与物理设备的独立性用户使用逻辑设备，由系统控制具体的物理设备；用户使用逻辑设备，由系统控制具体的物理设备；系统能根据用户提供的逻辑设备名找到相应的物理设备系统能根据用户提供的逻辑设备名找到相应的物

18、理设备其它其它输入井输入井输出井输出井高速高速高速高速脱机：脱机：输入、输出是脱离主机完成的。输入、输出是脱离主机完成的。靠外围机的控制输入、输出设备与磁盘交换数据。靠外围机的控制输入、输出设备与磁盘交换数据。CPUCPU只与高速磁盘（磁带）交换数据，只与高速磁盘（磁带）交换数据，技术要点：技术要点：（1）多道程序并发执行）多道程序并发执行（2）一道程序模拟外围机的输入，将数据从设备输入到磁盘）一道程序模拟外围机的输入，将数据从设备输入到磁盘（3）一道程序模拟外围机的输出，将数据从磁盘输出到设备）一道程序模拟外围机的输出，将数据从磁盘输出到设备（4）其它程序与设备的通信和脱机方式一样：读写高速

19、磁盘）其它程序与设备的通信和脱机方式一样：读写高速磁盘（5）主机仍要控制外围设备）主机仍要控制外围设备“假脱机假脱机”特点：特点：（1）提高了进程访问低速设备速率）提高了进程访问低速设备速率（2）独占设备成为虚拟设备）独占设备成为虚拟设备（3）独占设备成为共享设备）独占设备成为共享设备SPOOLing技术技术伪脱机技术伪脱机技术其它其它输入井：输入井：输出井输出井高速高速高速高速用户程序用户程序用户终端用户终端其它其它低速低速硬盘硬盘低速低速模拟输入模拟输入高速高速模拟输出模拟输出高速高速用户程序获得：用户程序获得： 高速输入高速输入 高速输出高速输出数据数据数据数据模拟模拟模拟模拟功能：功能：（1）解释）解释I/O指令指令（2）发动并完成具体）发动并完成具体I/O操作操作（3）响应设备及控制器的）响应设备及控制器的I/O请求，调用相应的中断处理程序请求，调用相应的中断处理程序在分配程序完成设备分配之后进行在分配程序完成设备分配之后进行实现方式：实现方式：（1）为每一类设备设