device操作系统原理学习教案

1、会计学1device操作系统操作系统(co zu x tn)原理原理第一页，共56页。3.按使用(shyng)特性分类：图7-1 按使用特性(txng)对外部设备分类第1页/共56页第二页，共56页。7.1.2 设备管理的功能(gngnng)和任务 设备管理是对计算机输入输出系统的管理，是操作系统中最具多样性和复杂性的部分。其主要任务是： 选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作； 控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数据； 为用户提供友好的透明接口，把用户和设备硬件特性分开，使得用户在编制应用程序时不必涉及具体设备，系统按用户要求控制设备工作。 提高设备和设备之间、CPU和设备之间，以

2、及进程和进程之间的并行操作度，以使操作系统获得最佳效率。第2页/共56页第三页，共56页。n设备管理(gunl)具有以下功能：n(1) 提供和进程管理(gunl)系统的接口。n(2) 进行设备分配。n(3) 实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。n(4) 进行缓冲区管理(gunl)。 7.1.3 I/O系统的结构通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道和管理软件称为(chn wi)I/O系统，把计算机的主存和外围设备的介质之间的信息传送操作称为(chn wi)输入输出操作。不同的计算机系统，其I/O系统差别很大，大多数计算机系统都采用基于总线的I/O结构。 第3页/共56页第四页，

3、共56页。图7-2 典型(dinxng)PC总线结构第4页/共56页第五页，共56页。7.1.4 设备控制器I/O设备一般由机械和电子两部分组成。为了达到模块化和通用性要求，设计时往往将这两部分分开处理。电子部分称做设备控制器或适配器。在小型和微型机中，控制器常以印刷电路板的形式插入主机主板插槽中。它可以管理端口、总线或设备，实现设备主体(zht)（机械部分）与主机间的连接与通信。通常，一台控制器可以控制多台同一类型的设备。设备控制器是一个可编址的设备。设备控制器有两个方向的接口：一个是与主机之间的系统接口；另一个是与设备驱动电路之间的低层次接口，用于根据主机发来的命令控制设备动作。第5页/共

4、56页第六页，共56页。n设备控制器具有以下(yxi)功能：n 实现主机和设备之间的通信控制，进行端口地址译码。n 把计算机的数字信号转换成机械部分能够识别的模拟信号，或者反过来。n 实现数据的缓冲。n 接收主机发来的控制命令。当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以转去执行其它运算。命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统。n 将设备和控制器当前所处的状态提供给主机。CPU通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态。第6页/共56页第七页，共56页。n CPU与控制寄存器的通信方式:n(1) I/O独立编址n 每个控制寄存器分配一个I/O

5、端口号（8位或16位整数），使用专门的I/O指令，CPU可以读/写控制寄存器。分配给系统中所有端口的地址空间是完全独立的，与内存的地址空间没有关系。n 优点和缺点:n 外部设备不占用内存的地址空间;程序设计时，易于区分是对内存操作还是对I/O端口操作,但对I/O端口操作的指令类型少，操作不灵活(ln hu)。n例如：8086/8088，分配给I/O端口的地址空间64K，0000H0FFFFH，只能用IN和OUT指令对其进行读写操作。第7页/共56页第八页，共56页。(2) 存储映像（统一编址）分配给系统中所有端口的地址空间与内存(ni cn)的地址空间统一编址主机把I/O端口看作一个存储单元，

6、对I/O的读写操作等同于对存储器的操作优点 （1）凡是可对存储器操作的指令都可对I/O端口操作 （2）不需要专门的I/O指令 （3）I/O端口可占有较大的地址空间缺点：占用内存(ni cn)空间第8页/共56页第九页，共56页。休息一下(yxi)，马上回来 第9页/共56页第十页，共56页。7.2.1 轮询方式轮询方式又称程序直接控制方式，就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。 一旦CPU启动I/O设备，便不断查询I/O设备的准备情况，终止原程序的执行，浪费CPU时间；I/O准备就绪后，CPU参与数据传送工作，而不能执行原程序CPU和I/O设备串行工作，使主机不能充分发

7、挥效率，外围设备也不能得到合理使用(shyng)，整个系统效率很低。第10页/共56页第十一页，共56页。第11页/共56页第十二页，共56页。7.2.2 中断方式CPU启动I/O设备后，不必查询I/O设备是否就绪，继续执行现行程序。直到在启动指令后的某条指令，响应了I/O中断请求，CPU才转至I/O中断处理程序执行。中断处理程序中，CPU全程参与数据传输操作，它从I/O接口读一个字(字节(z ji) 并写入主存，如果I/O设备上的数据尚未传送完成，转向现行程序再次启动I/O设备，重复上述过程；否则，中断处理程序结束后，继续从K+1条指令执行。 第12页/共56页第十三页，共56页。第13页/

8、共56页第十四页，共56页。7.2.3 DMA方式DMA方式又称直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。DMA方式的特点是： （1）数据传送的基本单位是数据块。 （2）所传送的数据是从设备送内存，或者相反。 （3）仅在传送一个或多个(du )数据块的开始和结束时，才需中断CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。第14页/共56页第十五页，共56页。第15页/共56页第十六页，共56页。7.2.4 通道控制方式通道控制(channel control)方式与DMA方式相类似，也是一种(y zhn)以

9、内存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制方式。与DMA方式不同的是，在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始址以及传送的数据块长度等都由CPU控制，而在通道方式中，这些都由专管输入输出的硬件通道来进行控制。与DMA方式时每台设备至少一个DMA控制器相比，通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与内存进行数据交换，从而，通道方式进一步减轻了CPU的工作负担和增加了计算机系统的并行工作程度。第16页/共56页第十七页，共56页。n 通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。它有自己的通道指令，这些通道指令受CPU启动，并在操作结束时向CPU发中

10、断信号。n 在通道方式下，CPU只需发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。n 通道指令一般包含有被交换数据在内存中应占据的位置、传送方向、数据块长度(chngd)以及被控制的I/O设备的地址信息、特征信息等，通道指令在通道中没有存储部件时存放在内存中。第17页/共56页第十八页，共56页。图7-4 通道(tngdo)控制方式数据传输结构第18页/共56页第十九页，共56页。休息一下(yxi)，马上回来 第19页/共56页第二十页，共56页。7.3.1 缓冲的引入在CPU和外设之间设立缓冲区，用以暂存CPU和外设之间交换的数据，

11、从而缓和CPU与外设速度不匹配所产生的矛盾。凡是(fnsh)数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。在操作系统中引入缓冲的目的如下：（1）改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 (2)减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制。 (3)提高CPU和I/O设备之间的并行性。第20页/共56页第二十一页，共56页。7.3.2 缓冲技术的分类单缓冲是操作系统提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，该缓冲区用来(yn li)临时存放输入/输出数据。解决两台外设、打印机和终端之间的并行操作问题的办法是设置双缓冲。有了两个缓冲器之

12、后，CPU可把输出到打印机的数据放入其中一个缓冲器(区)，让打印机慢慢打印，然后，它又可以从另一个为终端设置的缓冲器(区)中读取所需要的输入数据。第21页/共56页第二十二页，共56页。n环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相等(xingdng)的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲的指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲区，这样n个缓冲区就成了一个环形。此外，系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区。第22页/共56页第二十三页，共56页。1.IN指向可接收数据的空闲缓冲区的首址，OUT指针指向装好数据且未取走的缓冲区首址。2.系统(xtng)初启时，指

13、针被初始化为IN和OUT与首指针START相等，即START=IN=OUT。3.对于输入信息而言，设备接收信息时，信息输入到IN指向的缓冲区，当一个缓冲区装满后，IN指针指向下一个空闲缓冲区;4.当从缓冲区中提取信息时，提取由OUT指向的缓冲区中的信息，提取完毕，将OUT指针指向下一个装满信息的缓冲区。第23页/共56页第二十四页，共56页。l环形缓冲区一般用于特定的进程，属于专用缓冲区，当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲区，这不仅要消耗大量的内存空间，利用率也不高。l为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。l缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池

14、中各缓冲区的大小与用于I/O的设备的基本信息单位相似，缓冲池属于系统资源，由系统进行管理。l缓冲池中各缓冲区可用于输出信息，也可用于输入信息，并可根据(gnj)需要组成各种缓冲区队列。第24页/共56页第二十五页，共56页。7.4.1 设备分配的数据结构系统设备表SDT用来登记系统中的所有设备，每个设备使用一个表项。每台设备设置一个设备控制块DCB。它记录(jl)了设备的特性、使用的状态等信息。所有设备的DCB集合在一起形成了设备控制表DCT。控制器控制块COCB描述控制器的特性和状态。每个控制器有一个COCB。所有控制器的COCB集合在一起形成了控制器控制表COCT。每个通道有一个通道控制块

15、CHCB。所有通道的CHCB集合成通道控制表CHCT。第25页/共56页第二十六页，共56页。第26页/共56页第二十七页，共56页。7.4.2 设备分配的策略设备分配算法就是(jish)按照某种原则将设备分配给进程。设备分配算法：（1）先请求先服务：（2）优先级高者先服务：此外，在多进程请求I/O设备分配时，应防止因循环等待对方所占用的设备而产生死锁，应预先进行性检查。第27页/共56页第二十八页，共56页。第28页/共56页第二十九页，共56页。休息一下，马上(mshng)回来 第29页/共56页第三十页，共56页。7.4.3 设备分配技术所谓独享设备是指这类设备被分配给一个作业后，被这个

16、作业所独占使用，其他的任何作业不能使用，直到该作业释放该设备为止。针对独享设备，系统一般采用静态分配方式。即在一个作业执行前，将它所需要使用的这类设备分配给它，当作业结束撤离时，才将分配给它的独享设备收回。 所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设备。设备的共享有两层含义：一是指对设备介质的共享，如磁盘上的各扇区。二是指对磁盘等驱动器的共享，多个用户访问(fngwn)这些设备上的信息是通过驱动器来实现的。对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式 。第30页/共56页第三十一页，共56页。n所谓(suwi)虚拟设备是指代替独享设备的那部分存储空间及有关的控制结构。对虚拟设备采用的是虚拟分配，其过

17、程是：当进程中请求独享设备时，系统将共享设备的一部分存储空间分配给它。进程与设备交换信息时，系统把要交换的信息存放在这部分存储空间，在适当的时候对信息作相应的处理。如打印时，把要打印的信息送到某个存储空间中，在打印机空闲时将存储空间上的信息送到打印机上打印出来。第31页/共56页第三十二页，共56页。7.4.4 SPOOLing技术 在单道批处理时期，用脱机I/O可以提高CPU利用率。多道程序出现后，可以利用一道程序来模拟脱机I/O中的卫星机，这样可实现在主机控制下的脱机I/O功能。我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing（Simultaneaus Periphernal

18、Operting On_Line），也称为假脱机操作。 SPOOLing技术是对脱机输入、输出系统的模拟，因此，它必须建立在具有多道程序功能的操作系统(co zu x tn)上，而且还应有高速随机外存的支持。 SPOOLing系统的组成如下：（1）输入和输出井；（2）输入和输出缓冲区；（3）输入进程和输出进程。 第32页/共56页第三十三页，共56页。第33页/共56页第三十四页，共56页。7.5.1 I/O软件的设计目标和原则 I/O软件设计时要考虑的以下问题：设备无关性。程序员写出的软件在访问(fngwn)不同的外围设备时应该尽可能地与设备的具体类型无关。出错处理。总的来说，错误应该在尽可

19、能靠近硬件的地方处理，在底层软件能够解决的错误就不让高层软件感知，只有底层软件解决不了的错误才通知高层软件解决。同步（阻塞）异步（中断驱动）传输。独占性外围设备和共享性外围设备。第34页/共56页第三十五页，共56页。 为了合理、高效地解决I/O系统设计存在的问题，操作系统通常把I/O软件组织成四个层次(cngc)。 I/O中断处理程序。 设备驱动程序。 与设备无关的操作系统I/O软件。 用户层I/O软件。第35页/共56页第三十六页，共56页。用户进程进行I/O调用；格式化I/O；SPOOLING设备无关软件命名；保护；阻塞；缓冲；分配设备驱动程序建立设备寄存器；检查状态硬件执行I/O操作中

20、断处理程序当I/O结束时，唤醒驱动程序层次I/O应答I/O功能I/O请求第36页/共56页第三十七页，共56页。7.5.2 I/O 中断处理程序中断(Interrupt)是指计算机在执行期间，系统内发生任何(rnh)非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断发生的事件被称为中断源。中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求，而CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序称为中断响应。中断是应该尽量加以屏蔽的概念，应该放在操作系统的底层进行处理，系统的其它部分尽可能少

21、地与之发生联系。 第37页/共56页第三十八页，共56页。7.5.3 设备驱动程序 设备驱动程序包括所有与设备相关的代码，它的工作是把用户(yngh)提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名转化为端口地址、逻辑记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作等。第38页/共56页第三十九页，共56页。7.5.4 与设备无关的软件 通常，设备无关软件应完成以下功能： 对设备驱动程序的统一接口 设备命名 设备保护 提供独立于设备的块大小 缓冲区管理 块设备的存储分配 独占性外围设备(wi wi sh bi)的分配和释放 错误报告第39页/共56页第四十页，共56页。7.5.5 用户

22、空间的软件尽管大多数I/O软件属于操作系统，但是有一小部分是与用户链接在一起(yq)的库例程（库函数）。系统调用，包括I/O系统调用，通常通过库例程间接提供给用户。这一类库例程显然也是I/O系统的一部分，它的主要工作是提供参数给相应的系统调用，并调用执行它。但也有一些例程，它们确实做非常实际的工作。例如，C语言的格式化输入和输出就使用库例程实现的。标准I/O库包含相当多的涉及I/O的库例程，它们都作为用户程序的一部分运行。第40页/共56页第四十一页，共56页。休息一下，马上(mshng)回来 第41页/共56页第四十二页，共56页。7.6.1 磁盘的结构磁盘是一种直接(随机(su j)存取存

23、储设备。它的每个物理记录有确定的位置和唯一的地址，存取任何一个物理块所需的时间几乎不依赖于此信息的位置。磁盘包括多个盘面用于存储数据。每个盘面有一个读写磁头，所有的读写磁头都固定在惟一的移动臂上同时移动。在一个盘面上的读写磁头的轨迹称为磁道，在磁头位置下的所有磁道组成的圆柱体称为柱面，一个磁道又可划分成一个或多个物理块，通常称为扇区。通常，一个硬盘扇区的大小在512B2048B之间。第42页/共56页第四十三页，共56页。第43页/共56页第四十四页，共56页。n 要在磁盘上访问一个扇区，必须给出其柱面号、磁头号和扇区号，这样才能准确地定位要访问的扇区，这称为扇区的物理地址，即物理扇区号。由物

24、理扇区号表示的扇区称为绝对扇区。为了方便，操作系统通常将其转变(zhunbin)为逻辑扇区号加以管理。n 编址方式为：在磁道上按扇区号增加，在柱面上按磁道号增加，对整个磁道从柱面0到最后一个柱面增加。n 例如，每磁道扇区数为S，每个柱面的磁道数为T，那么可将柱面号为I，磁头号为j，扇区号为k的物理扇区转换为逻辑扇区号为：b=k+S*(T*I+j)。 第44页/共56页第四十五页，共56页。例：设磁盘组共有n个柱面，编号顺序为0、1、2、n-1；共有m个磁头，编号顺序为0、1、2、m-1；每个磁道内的k个信息块从1开始编号，依次为1、2、k。现用x表示逻辑(lu j)磁盘块号，用a，b，c分别表

25、示任一逻辑(lu j)磁盘块的柱面号、磁头号、磁道内块号，则x与a，b，c可通过如下公式进行转换：x=k*m*a+k*b+ca=(x-1) DIV (k*m)b=(x-1) MOD (k*m) DIV kc=(x-1) MOD (k*m) MOD k +1 第45页/共56页第四十六页，共56页。7.6.2 磁盘的调度为了读取磁盘上的信息，磁头必须能移到所要求的磁道上，并等待(dngdi)所要求的扇区的开始位置旋转到磁头下，然后再开始读或写数据，故整个磁盘的访问时间可分成三个部分：寻道时间、旋转延迟时间和数据传输时间。寻道时间是磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面时间，旋转延迟时间是磁盘需要将目标扇区转动到磁头下的时间，而数据处理时间是指从磁盘读出数据或向磁盘写入数据的时间，它的大小与每次所读写的字节数和旋转速度有关。第46页/共56页第四十七页，共56页。例题分析： 有5个记录A、B、C、D和E，存放在磁盘的某磁道上。假定这个磁道划分成5块，每块存放一个记录，安排如下(rxi)表所示。现在要顺序处理这5个记录，如果盘旋转一周需20ms，处理程序每读出一个记录后要花6ms进行处理，试问： （1）处理完这5个记录所需的总时间是多少