北方工业大学计算机操作系统第讲设备管理

第七章设备管理第一节概述第二节数据传送控制方式第三节中断技术第四节缓冲技术第五节设备分配第六节I/O进程控制第七节设备驱动程序17.1概述设备除cpu及内存以外的所有设备和装置(I/O设备，存储设备等)。存储设备用来存放各种信息的设备称为存储设备，例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等I/O设备用来向计算机输入和输出信息的设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等27.1.1外部设备分类

按系统和用戶分：系统、用戶按输入输出传送方式分(UNIX或Linux系统)：字符型设备、块设备按资源特点分：独享设备、共享设备、虚拟设备按设备硬件物理特性分：顺序存取设备、直接存取设备3按输入输出传送方式分字符型设备：以字符为单位进行输入、输出的设备。每输入或输出一个字符就中断一次主机CPU，请求进行处理。所以又称慢速字符设备。块设备：以字符块为单位进行输入、输出的设备。例如：硬盘。4按资源特点分独享设备：所有字符设备都是独享设备。在一个用户作业未完成或退出之前，此设备不能分配给其他作业用。打印机不能同时打印多个用户作业，否则输出结果将会混在一起。共享设备：多个用户作业或多个进程可以“同时”从这些设备上存取信息。软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。虚拟设备：通过软件技术将独享设备改造成共享设备。例如：通过SPOOLing技术将一台打印机虚拟成多台打印机。5按设备硬件物理特性分顺序存取设备：存取时间与物理上当前位置有关。如：磁带直接存取设备：存取时间与物理上当前位置关系不大。如：磁盘67.1.2设备管理的任务选择和分配输入输出设备控制输入输出设备和CPU或内存之间的数据交换。为用户提供一个友好的接口，把用户和设备硬件特性分开，使用户编程时不必关心设备的物理特性。尽量提高输入输出设备的利用率，发挥主机与外设以及外设与外设之间的真正并行工作能力。77.1.3设备管理的功能提供与进程管理系统的接口，将进程要求传达给设备管理程序。按设备类型和算法分配设备，包括相应的通道、设备控制器。对未分配到设备的任务或作业进入等待队列。实现设备和设备、设备和CPU之间的并行操作。这需要一些硬件设备的支持。进行存储缓冲区管理。87.2数据传送控制方式数据传送设备与CPU或内存的数据交互传送方式程序直接控制中断控制DMA控制通道控制评价指标速度快、数据不丢失、系统开销小9程序直接控制由用户进程直接控制内存与外部设备的数据传输当用户进程需要数据时，它通过CPU发送“设备启动命令”，用户进程进入测试等待状态;在等待时间内CPU不断用一条测试指令检查设备的工作状态当数据准备好后，状态寄存器的状态置为完成状态，发出“Done”信号，开始向内存传送数据10程序序直直接接控控制制方方式式的的特特点点CPU和和外外部部设设备备之之间间只只能能串串行行工工作作CPU在在一一段段时时间间只只能能与与一一台台外外部部设设备备交交换换信信息息，，所所以以不不能能实实现现设设备备之之间间的的并并行行工工作作CPU的的处处理理速速度度远远远远高高于于外外部部设设备备，，所所以以CPU的的利利用用率率大大大大降降低低。。由于于这这种种方方式式是是依依靠靠测测试试设设备备的的状状态态寄寄存存器器的的状状态态位位来来控控制制数数据据的的传传输输，，所所以以，，无无法法发发现现和和处处理理由由于于设设备备或或其其他他硬硬件件所所产产生生的的错错误误。。117.2.2中中断断方方式式与程程序序直直接接方方式式不不同同，，它它是是靠靠中中断断来来实实现现设设备备与与内内存存的的数数据据传传输输控控制制。。处理理过过程程：：1.当当进进程程要要求求数数据据时时，，由由CPU发发出出START命命令令，，启启动动外外设设准准备备数数据据。。同同时时中中断断允允许许位位打打开开。。2.现现运运行行进进程程放放弃弃CPU，，等等待待输输入入完完成成。。进进程程调调度度程程序序选选择择一一个个新新的的进进程程在在CPU上上运运行行。。3.当当数数据据从从相相应应的的设设备备送送到到缓缓冲冲区区后后，，由由I/O控控制制器器发发中中断断请请求求，，CPU接接到到请请求求后后，，中中断断现现运运行行进进程程，，转转中中断断处处理理程程序序执执行行数数据据传传输输。。4.在在以以后某某个时时刻，，被中中断进进程由由于获获得了了数据据而继继续运运行。。12中断方方式的的特点点1.由由于于I/O控控制器器的数数据缓缓冲寄寄存器器比较较小，，装满满数据据后发发生中中断，，因此此一次次数据据传输输中会会造成成多次次中断断，消消耗大大量的的CPU时时间。。2.由由于于系统统中的的设备备较多多，中中断太太多，，会使使CPU无无法响响应中中断，，造成成数据据丢失失。3.如如果果外部部设备备的速速度也也比较较高，，CPU不不能及及时取取走缓缓冲寄寄存器器的数数据，，那么么就会会出现现数据据丢失失。137.2.3DMA方式式当需要要传输输大量量数据据时，，程序序I/O方方式和和中断断I/O方方式都都会浪浪费大大量的的CPU时时间，，因此此，需需要一一种更更有效效的技技术处处理大大量数数据的的传输输DMA(直直接存存储器器存取取)方方式：：当处处理器器希望望读或或写一一块数数据时时，它它给DMA模块块产生生一条条指令令，发发送以以下信信息涉及的的I/O设设备的的地址址开始读读或写写的存存储器器单元元需要读读或写写的字字数14DMA方式式处理器器然后后继续续其他他工作作，而而把这这个操操作委委托给给DMA模模块，，由该该模块块处理理。DMA模块块直接接从存存储器器中或或者往往存储储器中中传送送整个个数据据块，，每次次传送送一个个字。。当传送送完成成后，，DMA模模块给给处理理器发发一个个中断断信号号。因此，，只有有在开开始传传送和和结束束传送送时才才会用用到处处理器器15DMA方式式DMA方式式的特特点：：作为高高速的的外围围设备备与内内存之之间进进行成成批的的数据据交换换，但但不对对数据据作加加工处处理。。数据据传输输的基基本单单位是是数据据块，，I/O操操作的的类型型比较较简单单需要使使用一一个专专门的的DMA控控制器器（DMAC，，DirectMemoryAccessController））。DMAC中中有控控制、、状态态寄存存器、、传送送字节节计数数器、、内存存地址址寄存存器和和数据据缓冲冲寄存存器16DMA方式式采用盗盗窃总总线控控制权权的方方法，，由DMAC送送出内内存地地址和和发出出内存存读、、设备备写或或设备备读、、内存存写的的控制制信号号来完完成内内存与与设备备之间间的直直接数数据传传送，，而不不用CPU的干干预。。有的的DMA传传送甚甚至不不经过过DMAC的数数据缓缓冲寄寄存器器的再再吞吐吐，传传输速速率非非常高高。仅在传传送一一个或或多个个数据据块的的开始始和结结束时时，才才需CPU干预预，整整块数数据的的传送送是在在控制制器的的控制制下完完成的的177.2.4I/O通道道方式式通道控控制方方式与与DMA方方式类类似，，也是是一种种以内内存为为中心心，实实现设设备与与内存存直接接交换换数据据的控控制方方式。。与DMA方式式相比比，DMA方式式每次次仅传传输一一个数数据块块的数数据，，而通通道却却可以以一次次传输输若干干个数数据块块的数数据。。18I/O通道道方式式通道控控制方方式的的数据据输入入过程程如下下当进程程要求求输入入数据据时，，CPU发发出驱驱动指指令指指明I/O操作作、设设备号号和相相应的的通道道对应通通道接接收到到CPU发发来的的驱动动指令令后，，把存存放在在内存存中的的通道道指令令程序序读出出，并并执行行通道道程序序，控控制设设备将将数据据传送送到内内存指指定的的区域域若数据据传送送结束束，则则向CPU发出出中断断请求求。CPU收到到中断断信号号后转转中断断处理理程序序，唤唤醒等等待输输入完完成的的进程程，并并返回回被中中断程程序1920通道指指令通道指指令一一般包包括：：内存存地址址（数数据））、传传送方方向、、数据据长度度、I/O设备备的地地址信信息、、特征征信息息。通道指指令在在进程程要求求数据据时由由系统统自动动生成成。Wirte002501850（（写/通通道指指令未未结束束/记记录未未结束束/250个单单元/内存存地址址1850）Write11250780（（写/通通道指指令结结束/记录录结束束/250个单单元/内存存地址址780）21通道方式的的特点设备与内存存直接交换换数据。数据的传送送方向、内内存地址、、长度等是是由通道来来控制的。。DMA中中这些是由由CPU控控制的。一个通道可可以控制多多台设备与与内存进行行数据交换换。DMA方式每台台设备至少少一个DMA控制器器。一个通道可可以以分时时方式同时时执行几个个通道指令令。227.3中中断技术7.3.1中断的的基本思想想7.3.2中断的的分类与优优先级7.3.3软中断断7.3.4中断处处理过程237.3.1中断的的基本思想想定义：中断断是指计算算机在执行行期间，系系统内发生生任何非寻寻常的或预预期的急需需处理事件件，使得CPU暂时时中断当前前的进程而而转去执行行相应的事事件处理程程序，待处处理完成后后又返回原原来被中断断处继续执执行或调度度新的进程程执行的过过程。中断源：引引起发生中中断的事件件叫做中断断源。中断请求：：中断源向向CPU发发送的中断断信号叫做做中断请求求。中断响应：：CPU收收到中断请请求后转相相应的事件件处理程序序称为中断断响应。24中断的基本本思想禁止中断（（关中断））：由于处处理机状态态字PSW的中断允允许位可能能被清除，，导致CPU不响应应中断，直直到PSW的中断许许可位被重重新设置，，即开中断断。开中断断和关中断断都是为保保障程序执执行的原子子性。中断请求、、关中断、、开中断都都是由硬件件实现的。。中断屏蔽：：中断请求求产生之后后，系统用用软件方式式有选择地地封锁部分分中断，而而允许其他他中断仍然然能够得到到响应。有有些中断是是不可屏蔽蔽的，它们们具有最高高的中断响响应级别。。257.3.2中断的的分类与优优先级根据中断源源产生的条条件，可把把中断分为为内部中断断和外部中中断：内部中断：：来自处理理机和内存存的中断。。内中断也也叫做陷阱阱（trap）。包包括程序运运算引起的的各种错误误，例如：：数据格式式错、非法法指令等。。外部中断：：除了内部部中断之外外，其他来来自外部的的中断都是是外中断。。例如：I/O设备备发出的I/O中断断、外部信信号中断等等。中断和陷入入按轻重缓缓急分为不不同的优先先级。CPU的PSW中也也设有优先先级。如果果中断源的的优先级高高于PSW则处理机机响应该中中断；反之之，屏蔽请请求。中断源的优优先级是固固定的，处处理机的优优先级则根根据执行情情况由系统统程序动态态设定。26中断和陷入入的区别陷阱通常由由处理机正正在执行的的指令引起起，而中断断是由与现现行指令无无关的中断断引起的。。陷入处理程程序提供的的服务是为为当前进程程的，而中中断处理程程序提供的的服务则不不是为当前前进程的。。CPU在执执行完一条条指令后，，下一条指指令开始之之前响应中中断，而中中断执行过过程中又可可以响应陷陷阱。有的系统将将中断处理理程序在系系统上下文文上运行，，而陷入在在用户的上上下文上运运行。277.3.3软中断断定义：通讯讯进程之间间相互发送送信号来模模拟硬件中中断。一个个进程A向向进程B发发送一个软软中断信号号后，当进进程B占用用处理机时时，立即转转去执行该该软中断信信号所对应应的程序。。有些系统中中，将陷入入划归到软软中断处理理。如当前前执行指令令产生陷阱阱，则向当当前执行进进程自身发发出软中断断信号，立立即进入陷陷阱处理程程序。287.3.4中断处处理过程1.CPU检查是否否有响应中中断的条件件：中断请请求、CPU允许中中断。条件件不满足则则中断处理理程序不处处理。2.如果CPU响应应中断，则则先关中断断，以保证证在中断处处理过程中中不被中断断。3.保存中中断现场。。4.分析中中断原因，，调用中断断处理子程程序。如果果同时有多多个中断，，则响应级级别最高的的中断。29中断向量不同的中断断源有不同同的中断处处理子程序序。这些子子程序的入入口地址和和不同的处处理机状态态字一起构构成中断向向量。存放放在内存的的特定单元元中。根据中断源源系统查询询中断向量量表，然后后转去相应应的处理子子程序。307.4缓缓冲技术缓冲的引入入缓冲的种类类缓冲池的管管理317.4.1缓冲的的引入处理机的处处理速度很很高，为了了使处理机机的速度和和外部设备备的速度匹匹配，一般般在处理机机和外部设设备之间加加一个或多多个缓冲区区，达到设设备之间和和设备与处处理机之间间的并行处处理目的。。为了减少中中断次数。。例如：当计计算进程把把大量的数数据输出到到打印机上上，由于CPU的输输出速度大大大高于打打印机的速速度，因此此，CPU只好停下下来等待。。而CPU计算时，，打印机却却空闲。两种缓冲方方案：用硬硬件缓冲寄寄存器；内内存缓冲区区327.4.2缓冲的的种类单缓冲：在在设备和处处理机之间间设置一个个缓冲器。。单缓冲不不能实现设设备之间的的并行操作作。双缓冲：两两个缓冲器器，以解决决两个设备备之间的并并行。但多多个设备情情况下仍然然不可行。。多缓缓冲冲：：多多个个缓缓冲冲区区连连接接起起来来组组成成两两部部分分，，一一部部分分专专门门用用于于输输入入缓缓冲冲，，另另一一部部分分专专门门用用于于输输出出缓缓冲冲。。缓冲冲池池：：将将多多个个缓缓冲冲区区连连接接起起来来统统一一管管理理，，既既可可用用于于输输入入，，又又可可用用于于输输出出。。337.4.3缓缓冲冲池池的的管管理理缓冲冲池池由由多多个个缓缓冲冲区区组组成成。。每每个个缓缓冲冲区区由由两两部部分分组组成成：：一一是是缓缓冲冲区区的的首首部部，，包包括括设设备备号号、、数数据据块块号号、、缓缓冲冲区区号号、、互互斥斥标标识识位位、、连连接接指指针针；；另另一一部部分分是是存存放放数数据据的的为为缓缓冲冲体体。。系统将各个个缓冲区按按照用途分分为三种队队列：空闲闲队列、装装满输入数数据的队列列、装满输输出数据的的队列。除了这三种种队列外，，系统还提提供四个工工作缓冲区区，用于进进行缓冲区区相关的操操作：hin:收收容设备输输入数据的的缓冲区sin提取取设备输入入数据的缓缓冲区hout：：收容CPU输出的的缓冲区sout：：提取CPU输出数数据的缓冲冲区34缓冲池的结结构缓冲区头存放数据的的缓冲区bufferbuf缓冲区头存放数据的的缓冲区bufferbuf缓冲区头存放数据的的缓冲区bufferbuf35缓冲队列空闲缓冲区区L(em)F(em)空闲缓冲区区输入缓冲区区L(in)F(in)输入缓冲区区输出缓冲区区L(out)F(out)输出缓冲区区36作业课后习题9.1,9.3,9.4,9.8,379、静静夜夜四四无无邻邻，，荒荒居居旧旧业业贫贫。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。04:35:4204:35:4204:3512/29/20224:35:42AM11、以我我独沈沈久，，愧君君相见见频。。。12月月-2204:35:4204:35Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海别别，，几几度度隔隔山山川川。。。。04:35:4204:35:4204:35Thursday,December29,202213、乍见翻疑疑梦，相悲悲各问年。。。12月-2212月-2204:35:4204:35:42December29,202214、他乡生白白发，旧国国见青山。。。29十二二月20224:35:42上上午04:35:4212月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:35上上午午12月月-2204:35December29,202216、行行动动出出成成果果，，工工作作出出财财富富。。。。2022/12/294:35:4204:35:4229December202217、做前前，能能够环环视四四周；；做时时，你你只能能或者者最好好沿着着以脚脚为起起点的的射线线向前前。。。4:35:42上上午4:35上上午午04:35:4212月月-229、没有失失败，只只有暂时时停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有结果果，但是是不努力力却什么么改变也也没有。。。04:35:4204:35:4204:3512/29/20224:35:42AM11、成功功就是是日复复一日日那一一点点点小小小努力力的积积累。。。12月月-2204:35:4204:35Dec-2229-Dec-2212、世间间成事事，不不求其其绝对对圆满满，留留一份份不足足，可可得无无限完完美。。。04:35:4204:35:4204:35Thursday,December29,202213、不不知知香香积积寺寺，，数数里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2204:35:4204:35:42December29,202214、意志坚强强的人能把把世界放在在手中像泥泥块一样任任意揉捏。。29十二二月20224:35:42上上午04:35:4312月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荆门门九派派通