操作系统原理-方敏-设备管理

第七章设备管理操作系统课程组一、引言设备的概念一个计算机系统就是由大量的设备构成的，例如：CPU，磁盘，显卡、显示器、鼠标、键盘等。这些设备的特点和功能各不相同。在这些设备中，有一类是作为计算机系统与外界交互的工具使用的，它具体负责计算机与外部的输入输出工作，我们称这类设备为外部设备简称为外设，本章重点研究的就是操作系统中对这类设备的管理策略。设备管理的目标如何提高设备的利用率：就是提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度。为用户提供方便统一的界面：方便是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便地使用设备；统一是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式。2一、引言设备管理的任务动态地掌握并记录设备的状态设备分配和释放缓冲区管理实现物理I/O设备的操作提供设备使用的用户接口设备的访问和控制I/O缓冲和调度3二、I/O系统概述I/O系统的结构单总线结构具有通道系统的I/O系统bus4二、I/O系统概述I/O系统的控制方式直接控制方式CPU优点：简单。缺点：CPU的大部分时间都用于对硬件进行测试，效率低下。5二、I/O系统概述中断驱动I/OCPU启动外设data发出中断优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。提高了CPU的利用率。中断技术使得CPU和外设之间的并行工作成为可能。缺点：数据仍然需要通过CPU进行传输，由于CPU每次处理的数据量少，因此这种方式只适于数据传输率较低的设备。6二、I/O系统概述直接存储访问I/O(DMA,DirectMemoryAccess)CPU启动外设data发出中断DMA控制器启动指令中断优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的数据读写无需CPU控制，适于高速设备。7CPU二、I/O系统概述通道控制方式I/OI/O处理机一个CPU可以连接若干个通道，一个通道可以连接若干个控制器，一个控制器可以连接若干个设备。优点：解决了I/O操作的独立性和各部件工作的并行性。通道把中央处理机从繁琐的输入输出操作中解放出来。采用通道技术后，不仅能实现CPU和通道的并行操作，而且通道与通道之间也能实现并行操作，各通道上的外围设备也能实现并行操作，从而可达到提高整个系统的效率的根本目的。8二、I/O系统概述I/O设备的分类按数据组织分类块设备(BlockDevice)：指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备。这类设备用于存储信息，有磁盘和磁带等。它属于有结构设备。磁盘设备的基本特征是：①传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；②它是可寻址的，即可随机地读/写任意一块；③磁盘设备的I/O采用DMA方式。字符设备(CharacterDevice)：指以单个字符为单位来传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输出，有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符设备的基本特征是：①传输速率较低；②不可寻址，即不能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；③字符设备的I/O常采用中断驱动方式。9二、I/O系统统概述述从资源源分配配角度度分类类独占设设备：：指在在一段段时间间内只只允许许一个个用户户（进进程））访问问的设设备，，大多多数低低速的的I/O设设备，，如用用户终终端、、打印印机等等属于于这类类设备备。因因为独独占设设备属属于临临界资资源，，所以以多个个并发发进程程必须须互斥斥地进进行访访问。。共享设设备：：指在在一段段时间间内允允许多多个进进程同同时访访问的的设备备。典典型的的共享享设备备是磁磁盘。。共享享设备备不仅仅可以以获得得良好好的设设备利利用率率，而而且是是实现现文件件系统统和数数据库库系统统的物物质基基础。。虚拟设设备：：指通通过虚虚拟技技术将将一台台独占占设备备变换换为若若干台台供多多个用用户（（进程程）共共享的的逻辑辑设备备。一一般可可以利利用假假脱机机技术术（SPOOLing技技术））实现现虚拟拟设备备。10二、I/O系统统概述述按数据据传输输率分分类低速设设备：：指传传输速速率为为每秒秒钟几几个字字节到到数百百个字字节的的设备备。典典型的的设备备有键键盘、、鼠标标、语语音的的输入入等；；中速设设备：：指传传输速速率在在每秒秒钟数数千个个字节节至数数十千千个字字节的的设备备。典典型的的设备备有行行式打打印机机、激激光打打印机机等；；高速设设备：：指传传输速速率在在数百百千个个字节节至数数兆字字节的的设备备。典典型的的设备备有磁磁带机机、磁磁盘机机、光光盘机机等。。11三、I/O软件件的组组成设备管管理软软件的的组成成部分分I/O交通通管制制程序序：负负责各各I/O设设备之之间的的协调调工作作；I/O调度度程序序：负负责设设备的的分配配和调调度；；I/O设备备处理理程序序：负负责每每类设设备的的具体体操作作。I/O软件件的设设计目目标设备独独立性性(deviceindependence)通过某某种技技术使使得软软件和和硬件件彼此此相对对比较较独立立。这这样，，除了了直接接与设设备打打交道道的低低层软软件之之外，，其他他部分分的软软件并并不依依赖于于硬件件。优点：：降低操操作系系统和和底层层硬件件之间间的耦耦合性性，增增强了了操作作系统统的适适应能能力。。方便了了用户户的使使用。。12三、I/O软件件的组组成统一一命命名名系统统中中，，每每种种设设备备都都是是有有名名称称的的，，如如何何命命名名以以方方便便系系统统管管理理和和用用户户使使用用是是一一个个重重要要的的问问题题。。这里里的的统统一一命命名名是是指指在在系系统统中中采采取取预预先先设设计计的的、、统统一一的的逻逻辑辑名名称称，，对对各各类类设设备备进进行行命命名名，，并并且且应应用用在在同同设设备备有有关关的的全全部部软软件件模模块块中中。。命名名方方式式：：通通常常的的做做法法是是，，用用一一个个序序列列字字符符串串或或一一个个整整数数来来表表征征一一个个输输入入输输出出设设备备的的名名字字。。这这个个统统一一命命名名不不依依赖赖于于设设备备，，也也就就是是说说在在同同一一个个名名称称，，其其对对应应的的物物理理设设备备可可能能发发生生了了变变化化，，但但它它并并不不在在该该名名称称上上体体现现。。例例如如在在UNIX中中，，设设备备采采用用统统一一命命名名和和处处理理的的方方式式。。13三、I/O软件件的组成成I/O软软件的结结构外部I/O设备备用户设备驱动程序与设备无关的系统软件用户级软件分层设计思想中断处理程序14三、I/O软件件的组成成中断处理理程序中断机制制原理设备管理理程序与与中断的的关系设置中断断的目的的：解决决高速处处理设备备和低速速输入输输出设备备之间的的矛盾，，提高系系统工作作效率。。设备管理程序外设启动指令中断请求data15三、I/O软件件的组成成设备驱动动程序设备驱动动程序是是直接同同硬件打打交道的的软件模模块。一一般而言言，设备备驱动程程序的任任务为：：接受来来自与设设备无关关的上层层软件的的抽象请请求；进进行与设设备相关关的处理理。具体体说来，，其功能能主要有有：控制和监监督各I/O控控制器的的正确执执行，并并进行必必要的错错误处理理。处理和设设备相关关的操作作，如排排队、挂挂起、唤唤醒等。。缓冲区管管理。进行一些些较为底底层的和和具体设设备相关关的处理理工作。。16三、I/O软件件的组成成设备驱动动程序的的特点与I/O设备的的硬件结结构密切切联系，，是操作作系统底底层中唯唯一知道道各种输输入输出出设备的的控制器器细节及及其用途途的部分分。例如，只只有磁盘盘驱动程程序具体体了解磁磁盘的区区段、磁磁道、柱柱面、磁磁头、磁磁臂的运运动、交交错访问问系数、、马达驱驱动器、、磁头定定位次数数以及所所有保证证磁盘正正常工作作的机制制，其他他软件根根本不过过问这些些硬件操操作的细细节。17三、I/O软件件的组成成设备驱动动程序的的结构由于驱动动程序和和硬件的的结构有有着密切切的联系系，因此此不同的的硬件其其启动程程序的结结构以也也不同。。但是对于于略有差差异的同同一类设设备，为为了方面面使用，，系统往往往会提提供一个个通用的的设备驱驱动程序序。当然然为了追追求更好好的性能能，用户户可以使使用厂家家提供的的专门为为该设备备编写的的设备驱驱动程序序。18三、I/O软件件的组成成与设备无无关的系系统软件件是建立在在设备驱驱动程序序之上的的，与具具体设备备无关的的I/O功能的的集合(例如所所有设备备都需要要的I/O功能能)。功能：统一命名名：将设备的符符号名映映射到相相应的设设备驱动动程序上上，对外外提供同同一的命命名方式式。设备保护护：对设设备进行行必要的的保护，，防止无无授权的的应用或或用户的的非法使使用。提供与设设备无关关的逻辑辑块：屏屏蔽底层层各种I/O设设备空间间大小、、处理速速度和传传输速率率的差异异，只向向上层提提供大小小统一的的逻辑块块尺寸。。缓冲管理理19三、I/O软件件的组成成存储设备备的块分分配：查查找一个个存储设设备的空空闲块并并进行分分配。独占设备备的分配配和释放放出错处理理：一般般来说I/O错错误有两两种操作故障障：由驱驱动程序序处理。。非操作故故障：如如磁盘受受损而不不能再读读，由与与设备无无关的系系统软件件处理，，并向上上层返回回出错信信息。用户空间间的I/O软件件常见的主主要有I/O系统调用用Spooling系统统：构成成虚拟设设备。20三、I/O软件件的组成成I/O系系统的层层次结构构与每层层的主要要功能21四、具有有通道的的设备管管理通道CPUI/O处理机22四、具有有通道的的设备管管理通道的类类型字节多路路通道（（ByteMultiplexorChannel）数组选择择通道（（BlockSelectorChannel）主通道子通道1子通道2子通道n设备1…设备2设备n低速设备，传输单位为字节可以获得较好的通道利用率可分配型通道设备1设备2设备n高速设备，一次传输一组数据可以获得较好的数据传输速率23四、具有有通道的的设备管管理数组多路路通道（（BlockMultiplexorChannel）“瓶颈””问题主通道子通道1子通道2子通道n设备1…设备2设备n高速设备，一次传输一组数据即具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。CPU24四、具有有通道的的设备管管理术语：通道命令令(ChannelCommandWord,CCW)：通通道又称称为I/O处理理机，具具有自己己的指令令系统，，常常把把I/O处理机机的指令令称通道道命令。。通道程序序：用通通道命令令编写的的程序称称通道程程序，通通道通过过执行通通道程序序控制I/O设设备运行行。通道地址址字(ChannelAddressWord,CAW)：用用来存放放通道程程序首地地址的内内存单元元称通道道地址字字。通道状态态字(ChannelStatusWord,CSW)：是通通道向操操作系统统报告工工作情况况的状态态汇集。。25四、具有有通道的的设备管管理通道的工工作原理理26五、与设设备管理理有关的的技术DMA技术(DirectMemoryAccess,DMA)CPU启动外设data发出中断DMA控制器启动指令中断优点：CPU只需干预I/O操作的的开始和结束束，而其中的的数据读写无无需CPU控控制，适于高高速设备。内存传送一个数据据块高速设备27五、与设备管管理有关的技技术缓冲技术缓冲区是一种种交换数据的的区域。缓冲技术的分分类单缓冲技术(singlebuffer)只设置一个缓缓冲，CPU和外设轮流流使用。CPU28五、与设备管管理有关的技技术双缓冲(doublebuffer)适合于外设速速度较高的情情况。29五、与设备管管理有关的技技术环形缓冲用于低速I/O设备结构30五、与设备管管理有关的技技术环形缓冲的两两种现象系统受限计算算：Nexti追上Nextg系统受限I/O：Nextg追上Nexti31五、与设备管管理有关的技技术缓冲池(bufferpool)可供多个进程程共享的双向向缓冲技术。。缓冲池空缓冲队列输入队列输出队列32五、与设备管管理有关的技技术总线技术总线的定义：：计算机中连连接各个部件件的一组线路路。优点：便于部部件和设备的的扩充，使不不同设备间的的互连更加容容易。总线的结构单总线bus优点：简单缺点：总线只能分时工作，使信息传送的吞吐量受到限制。33五、与设备管管理有关的技技术双总线bus存储总线在双总线结构构中，因为CPU可以通通过存储总线线访问主存，，故减轻了系系统总线的负负担，同时加加大了信息传传送的吞吐量量。34五、与设备管管理有关的技技术三总线三总线结构采采用了通道(I/O处理理机)，它减减轻了CPU的数据的I/O控制，，是整个系统统的效率得到到了很大的提提高，所以，，在中型、大大型计算机系系统中采用三三总线结构。。35五、与设备管管理有关的技技术总线的类型内部总线计算机内部各各外围芯片与与处理器之间间的总线，用用于芯片一级级的互连。系统总线系统总线是计计算机中各插插件板与系统统板之间的总总线，用于插插件板一级的的互连。外部总线计算机和外部部设备之间的的总线，它用用于设备一级级的互连。36六、UNIX设备管理UNIX的设设备种类块设备字符设备UNIX设备备管理的主要要特点块设备与字符符设备具有相相似的层次结结构。这是指指对它们的控控制方法和所所采用的数据据结构、层次次结构几乎相相同。将设备作为一一个特殊文件件，并赋予一一个文件名。。这样，对设设备的使用类类似于对文件件的存取，具具有统一的接接口。采用完善的缓缓冲区管理技技术。引入““预先读”、、“异步写””和“延迟写写”方式，进进一步提高系系统效率。37六、UNIX设备管理UNIX设备备管理用到的的主要数据结结构缓存与缓存控控制块缓冲池容量：512/2048字节structbuf{intb_flage;/*缓冲区标志*/structbuf*b_forw;/*设备队列前向指针*/structbuf*b_back;/*设备队列后向指针*/structbuf*av_forw;/*自由队列前向指针*/structbuf*av_back;/*自由队列后向指针*/dev_tb_dev;/*逻辑设备号*/unsignedb_bcount;/*传送数据字节数*/union{caddr_tb_addr;/*缓冲区内存首地址*/intb_words;/*要刷新的起始地址*/structfilsys*b_filsys;/*超级块*/structdinode*b_dino;/*磁盘inode表*/daddr_t*b_daddr;/*间接块*/}b_un;daddr_tb_blkno;/*磁盘上数据的块号*/charb_error;/*返回给调用者的出错信息*/unsignedintb_resid;/*因出错而未被传送的数据字节数*/time_tb_start;/*I/O请求起始时间*/structproc*b_proc;/*执行物理或兑换I/O的进程*/}buf[NBUF];38六、UNIX设备管理块设备表UNIX中为为每个块设备备设置了一张张管理表，称称为块设备表表。结构：块设备表structiobuf{intb_flags;/*设备队列的状况标志*/structbuf*b_forw;/*指向本设备的第一个缓冲区*/structbuf*b_back;/*指向本设备的最后一个缓冲区*/structbuf*b_actf;/*指向本设备I/O请求队列中的第一个缓冲区*/structbuf*b_actl;/*指向本设备I/O请求队列中的最后一个缓冲区*/dev_tb_dev;/*设备名*/char_b_active;/*设备正在执行一个I/O请求的标志*/char_b_errcnt;/*出错计数*/structeblock*io_erec;/*指向块设备错误记录块*/intio_nreg;/*设备寄存器的个数*/physadrio_addr;/*设备控制状态寄存器地址*/physadrio_mba;/*MBA配置结构寄存器地址*/structiostat*io_stp;/*指向部件I/O统计块*/time_tio_start;/*输入输出启动时间*/intio_s1;/*驱动程序留用位数*/intio_s2;/*驱动程序留用位数*/};39六、UNIX设备管理块设备开关表