操作系统第章设备管理

第五章设备管理操作系统刘刚1/7/20231第五章设备管理I/O系统是计算机系统的重要组成部分I/O系统包括用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的控制器设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O的利用率设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性1/7/20232内容（1）I/O组成；（2）I/O控制；指I/O完成的方法。（3）I/O缓冲；（4）I/O分配；（5）I/O处理。指具体I/O命令的完成过程。1/7/202335.1I/O系统I/O系统的组成在一个计算机系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器。在大、中型计算机系统中，还需要I/O通道，这些设备以及相应的总线构成了I/O系统。I/O系统的结构对于不同规模的计算机系统，其I/O系统的结构也有所差异。通常可将I/O系统的结构分成两大类：1、微型机I/O系统2、主机I/O系统1/7/202345.1I/O系统I/O系统的组成

1、微型机I/O系统

由于微型机本身比较简单，其I/O系统多采用总线I/O系统结构。CPU和内存是直接连接到总线上的。I/O设备是通过设备控制器连接到总线上，CPU并不直接与I/O设备进行通信，而是与设备控制器进行通信，设备控制器是处理机和设备之间的接口，控制器有磁盘控制器、打印机控制器等。2、主机I/O系统

在I/O系统中采用总线结构，而是增加一级I/O通道。其中，I/O系统共分为4级：最低级为I/O设备，次低级为设备控制器，次高级为I/O通道，最高级是计算机。因而也称这样的I/O系统结构为四级结构。1/7/20235第五章设备管理I/O系统I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理磁盘存储器管理1/7/20236I/O系统I/O设备设备控制器I/O通道总线系统1/7/20237I/O设备I/O设备的类型按从属关系分类系统设备用户设备1/7/20238I/O设备I/O设备的类型

按传输速率分类低速设备每秒几个字节至数百字节键盘、鼠标、语音输入输出设备等中速设备每秒数千至数万字节行式打印机、激光打印机等高速设备每秒数百K至数十M字节磁盘机、磁带机、光盘机等1/7/20239I/O设备备I/O设备备的类型按信息交换换的单位分分类块设备(BlockDevice)信息的存取取总是以数数据块为单位可寻址磁盘，每个个盘块的大大小为512B~4KB字符设备(CharacterDevice)基本单位是是字符不可寻址交互式终端端、打印机机12/29/2022102)按信信息交换的的单位分类类可将I/O设备分成成两类。第一类是块设备(BlockDevice)这类设备用用于存储信息。由于于信息的存存取总是以以数据块为单位，故故而得名。。它属于有结构设备。典型型的块设备备是磁盘，每个盘块块的大小为为512B~4KB。磁盘设设备的基本本特征是其其传输速率较较高，通常每秒秒钟为几兆兆位；另一一特征是可寻址，即对它可可随机地读读/写任一一块；此外外，磁盘设设备的I/O常采用用DMA方式式。第二类是字符设备(CharacterDevice)用于数据的的输入和输出出。其基本单单位是字符，故称为字字符设备。。它属于无结构设备。交互式终端端、打印机机等。字符设设备的基本本特征是：：①传输速率较较低；②不可寻址；即不能指指定输入时时的源地址址及输出时时的目标地地址；③字字符设备在在I/O时时，常采用用中断驱动方方式。12/29/202211I/O设设备备I/O设设备备的的类类型型按资资源源分分配配角角度度分分类类（（共共享享属属性性））独占设设备多数低低速设设备属属独占占设备备，如如打印印机共享设设备可供多多个进进程同同时访访问，，如磁磁盘虚拟设设备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个个逻辑辑设备备，供供若干干个进进程同同时使使用临界资资源12/29/202212I/O设备备I/O设备备的类类型按操作作特性性存储设设备存储信信息，，如磁磁盘等等I/O设备备用来向向CPU传传送信信息或或输出出加工工处理理后的的信息息，如如显示示器、、打印印机12/29/2022132.设设备备与控控制器器之间间的接接口通常，，设备备并不不是直直接与与CPU进进行通通信，，而是是与设设备控控制器器通信信。因此，，在设设备与与设备备控制制器之之间应应有一一接口口。12/29/202214I/O设备备设备与与控制制器之之间的的接口口数据信信号线线用于在在设备备和设设备控控制器器之间间传送送数据据信号号控制信信号线线作为由由设备备控制制器向向I/O设设备发发送控控制信信号（（规定定设备备应执执行的的操作作）时时的通通路状态信信号线线用于传传送指指示设设备当当前状状态的的信号号设备控控制器器是CPU与I/O设备备之间间的接接口由外界界输入入的信信号经经转换换器转转换后后送入入缓冲冲器，，数据据达到到一定定的字字符数数后，，再从从缓冲冲器通通过一一组数数据信信号线线送到到控制制器从设备控控制器经经过数据据信号线线传送来来的数据据先暂存存在缓冲冲器，经经转换器器经过适适当转换换后，逐逐个字符符输出信号规定定设备要要执行的的操作指示设备备当前状状态，正正在读、、写或完完成12/29/202215I/O系系统I/O设设备设备控制制器I/O通通道总线系统统12/29/202216设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之之间的接口接收CPU发来的的命令，控制一个或多个I/O设备工工作，以实现I/O设备和和计算机之间间的数据交换换，减轻CPU的负担担设备控制器是一个可编址址的设备设备控制器分类控制字符设备备控制块设备12/29/202217设备控制器基本功能接收和识别命命令应有控制寄存器存放接受的命命令和参数，，并对其译码码数据交换实现CPU与与控制器、控控制器与设备备之间的数据据交换，需设设置数据寄存器标识和报告设设备的状态：：需设置状态寄存器地址识别识别所控制的的设备，需设设置地址译码器数据缓冲：：解决I/O设备速率低低的问题差错控制：：对I/O设设备发送的数数据12/29/2022182.设备备控制器的的组成由于设备控控制器处于于CPU与与设备之间间，它既要要与CPU通信，又又要与设备备通信，还还应具有按按照CPU所发来的的命令去控控制设备的的工作功能能。因此，现有有的大多数数控制器都都是由以下下三部分组组成的：（1）设备备控制器与与处理机的的接口。（2）设备备控制器与与设备的接接口（3）I/O逻辑12/29/202219设备控制器器设备控制器器的组成设备控制器器与处理机机的接口实现CPU与设备控控制器之间间通信三类信号线线数据线：连连接数据寄存器器：存放设设备或CPU送来的的数据控制/状态态寄存器：：存放CPU送来的的控制信息息或设备的的状态信息息地址线控制线12/29/202220设备备控控制制器器设备备控控制制器器的的组组成成设备备控控制制器器与与设设备备的的接接口口一个个设设备备控控制制器器可可连连接接一一个个或或多多个个设设备备控制制器器中中则则有有一一个个或或多多个个设设备备接接口口接口口中中存存在在数数据据、、控控制制、、状状态态信信号号I/O逻逻辑辑根根据据处处理理机机发发来来的的地地址址信信号号选选择择一一个个设设备备接接口口12/29/202221设备控制器设备控制器的的组成I/O逻辑：：实现对设备备的控制处理机利用它它向控制器发发送I/O命命令I/O逻辑对对接受到的命命令进行译码码CPU发送同同时启动命令令及地址（通通过地址线））发送给控制制器，控制器器的I/O逻逻辑对地址译译码，在根据据命令对所选选设备进行控控制12/29/202222设备控控制器器设备控控制器器的组组成12/29/202223I/O系统统I/O设备备设备控控制器器I/O通道道总线系系统12/29/202224I/O通道道I/O通道道(I/OChannel)设备的的引入入是一种种特殊殊处理理机，，专门门负责责输入入/输输出工工作有自己己简单单的指指令系系统，，只有有数据据传送送指令令和设设备控控制指指令主要目目的是是为了了建立立独立立的I/O操作作，使使有关关对I/O操作作的组组织、、管理理及其其结束束处理理也独独立于于CPUCPU向I/O通道道发送送I/O命命令，，由通通道执执行程程序通道与与一般般处理理机的的区别别指令单单一没有独独立的的内存存12/29/2022255.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)设备的引引入其主要目的的是为了建立立独立的I/O操作作，其目的的是使一些些原来由CPU处理理的I/O任务转由由通道来承承担，实际际上，I/O通道是是一种特殊殊的处理机机。它具有有执行I/O指令的的能力，并并通过执行行通道(I/O)程程序来控制制I/O操操作。但I/O通道道又与一般般的处理机机不同，主主要表现在在以下两个个方面：一是其指令令类型单一一，这是由由于通道硬硬件比较简简单，其其所能执行行的命令，，主要局限限于与I/O操作有有关的指令令；再就是通道道没有自己己的内存，，通道所执执行的通道道程序是放放在主机的的内存中的的，换言言之，是通通道与CPU共享内内存。12/29/2022262.通通道类型型字节多路路通道(ByteMultiplexorChannel)数组选择择通道(BlockSelectorChannel)数组多路路通道(BlockMultiplexorChannel)12/29/2022272.通通道类型型字节多路路通道(ByteMultiplexorChannel)这些通道道按时间间片轮转转方式共共享主通通道。当当所有子子通道轮轮转一周周后，重重又返回回来由第第一个子子通道去去使用。。通过字字节多路路通道来来连接低低速或中中速设备备时，便便不能丢丢失信息息。12/29/202228I/O通道通道类型字节多路通道道（ByteMultiplexorChannel）以字节交换方方式工作，分分时并行操作作主要用来连接接多个中低速速设备12/29/202229I/O通道通道类型数组选择通道道（BlockSelectorChannel）以成组方式工工作，高速传传输数据可以连接多台台高速设备仅含有一个分分配型子通道道，在一段时时间内只能执执行一个通道道程序，控制制一台I/O设备由设备独占使使用，利用率率较低12/29/2022302)数数组组选择择通道道(BlockSelectorChannel)字节多多路通通道不不适于于连接接高速速设备备，这这推动动了按按数组组方式式进行行数据据传送送的数数组选选择通通道的的形成成。这这种通通道虽虽然可可以连连接多多台高高速设设备，，但由由于它它只含含有一一个分分配型型子通通道，，在一一段时时间内内只能能执行行一道道通道道程序序，控控制一一台设设备进进行数数据传传送，，致使使当某某台设设备占占用了了该通通道后后，便便一直直由它它独占占，即即使使是它它无数数据传传送，，通道道被闲闲置，，也不不允许许其它它设备备使用用该通通道，，直至至该设设备传传送完完毕释释放该该通道道。可可见，，这种种通道道的利利用率率很低低。12/29/202231I/O通通道道通道道类类型型数组组多多路路通通道道（（BlockMultiplexorChannel））将数组组选选择择通通道道传输输速速率率高高和和字节节多多路路通通道道分时时并并行行操操作作的的优优点点相相结结合合而而形形成成的的一一种种新新通通道道它含含有有多多个个非非分分配配型型子子通通道道，，因因而而这这种种通通道道既既具具有有很很高高的的数数据据传传输输速速率率，，又又能能获获得得令令人人满满意意的的通通道道利利用用率率12/29/202232I/O通通道瓶颈问题题12/29/202233I/O通通道12/29/202234I/O系系统I/O设设备设备控制制器I/O通通道总线系统统12/29/202235I/O系统统的组组成1、微微型机机I/O系系统由于微微型机机本身身比较较简单单，其其I/O系系统多多采用用总线线I/O系系统结结构。。CPU和和内存存是直直接连连接到到总线线上的的。I/O设备备是通通过设设备控控制器器连接接到总总线上上，CPU并不不直接接与I/O设备备进行行通信信，而而是与与设备备控制制器进进行通通信，，设备备控制制器是是处理理机和和设备备之间间的接接口，，控制制器有有磁盘盘控制制器、、打印印机控控制器器等。2、主主机I/O系统统在I/O系系统中中采用用总线线结构构，而而是增增加一一级I/O通道道。其其中，，I/O系系统共共分为为4级级：最最低级级为I/O设备备，次次低级级为设设备控控制器器，次次高级级为I/O通道道，最最高级级是计计算机机。因因而也也称这这样的的I/O系系统结结构为为四级级结构构。12/29/202236总线系统在计算机系系统中的各各部件，如如CPU、、存储器以以及各种I/O设备备之间都是是通过总线线来联系12/29/2022375.1.4总线系系统2、主机I/O系统统(大、中中型)（四级结构构）计算机――――I/O通道――――I/O控制器――――设备备I/O通道道相当于对对总线的扩扩展，即多多总线方式式，且通道道有一定的的智能性，，能与CPU并行，，解决其负负担。ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI12/29/2022381.ISA和EISA总线1)ISA(IndustryStandardArchitecture)总线这是为了1984年推出出的80286型微机而而设计的总线线结构。其其总线的带宽宽为8位，最最高传输速率率为2Mb/s。之后不不久又推出了了16位的(EISA)总线，其最最高传输速率率为8Mb/s，后又升升至16Mb/s，能连连接12台设设备。2)EISA(ExtendedISA)总线到80年代末末期，ISA总线已难于于满足带宽和和传输速率的的要求，于是是人们又开发发出扩展ISA(EISA)总线，，其带宽为32位，总线线的传输速率率高达32Mb/s，同同样可以连接接12台外部部设备。12/29/202239总线系统ISA和EISA总线ISA(IndustryStandardArchitecture)总总线1984年为为80286型微机设计计带宽为8位最高传输速率率为2Mb/sEISA(ExtendedISA)总线带宽为32位位传输速率32Mb/s12/29/202240总线系统局部总线(LocalBus)局部总线是指指将多媒体卡卡、高速网卡卡、高性能图图形板等从ISA总线上上卸下来，再再通过局部总总线控制器直直接接到CPU总线上VESA(VideoElectronicStandardAssociation)总线带宽32位最高传输速率率为132Mb/sPCI(PeripheralComponentInterface)总总线在CPU和外外设间插入入一复杂的管管理层，用于于协调数据传传输和提供一一致的接口12/29/202241设备管理功能能设备分配按设备类型和和分配算法将将I/O设备备、控制器及及通道分配给给用户进程对不能得到资资源的进程进进行阻塞缓冲区管理在CPU和设设备之间进行行速度匹配设备的I/O操作生成通道程序序并启动和控控制通道完成成I/O操作作未设置通道的的系统应对相相应设备I/O进行必要要的处理12/29/202242第五五章章设设备备管管理理I/O系系统统I/O控控制制方方式式缓冲冲管管理理设备备分分配配设备备处处理理磁盘盘存存储储器器管管理理12/29/2022435.2I/O控控制制方方式式系统统中中引引入入中中断断机机制制后后，，使使I/O方方式式从从最最简简单单的的程程序序I/O方方式式发发展展为为中中断断驱驱动动方方式式；；DMA控控制制器器的的出出现现，，字字节节为为传传输输单单位位扩扩大大到到以以数数据据块块为为传传输输单单位位。。5.2.1程程序序I/O方方式式5.2.2中中断断驱驱动动I/O控控制制方方式式5.2.3直直接接存存储储器器访访问问DMAI/O控控制制方方式式5.2.4I/O通通道道控控制制方方式式12/29/202244I/O控控制方式式程序I/O方式式中断驱动动I/O方式直接存储储器访问问DMAI/O控制制方式I/O通通道控制制方式12/29/202245程序I/O方式式处理机对对I/O设备的的控制采采用程序I/O（ProgrammedI/O）方式，或或称为忙忙-等方方式CPU通通过I/O测试试指令测测试设备备接口中中的状态态位，当当为“忙忙”时则则一直测测试，当当为“闲闲”时，，可进行行数据传传送，每每次传送送一个字字符CPU的的绝大部部分时间间都处于于等待I/O设设备完成成数据I/O的的循环测测试中外设不能能合理使使用，也也无法支支持多道道程序12/29/202246程序I/O方式式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完(a)程序I/O方式缺点：：独占占CPU，，始终终繁忙忙工作过过程处理机机对I/O设备备的控控制，，采取取程序序I/O（（ProgrammedI/O）方方式或或称为为忙——等待待方式式。即即：（1））在处处理机机向控控制器器发出出一条条I/O指指令启启动输输入设设备输输入数数据时时，要要同时时把状状态寄寄存器器的忙忙/闲闲标志志busy置为为1，，然后后不断断地循循环测测试busy：：①当当busy=1时时，表表示尚尚未输输入完完一个个字符符，处处理机机应继继续对对该标标志进进行测测试，，直至至busy=0表明明已将将数据据送入入控制制寄存存器中中。②此此时时，处处理机机从DR中中取走走数据据，送送入内内存指指定单单元中中，便便完成成了一一个字字符的的I/O。。（2））再去去启动动读下下一个个数据据，并并置busy=1。。12/29/2022475.2I/O控制制方式式5.2.1程程序I/O方式式在程序序I/O方方式中中，由由于CPU的高高速性性和I/O设备备的低低速性性，致致使CPU的绝绝大部部分时时间都都处于于等待待I/O设设备完完成数数据I/O的循循环测测试中中，造造成对对CPU的的极大大浪费费。在在该方方式中中，CPU之所所以要要不断断地测测试I/O设备备的状状态，，就是是因为为在CPU中无无中断断机构构，使使I/O设设备无无法向向CPU报报告它它已完完成了了一个个字符符的输输入操操作。。12/29/202248I/O控制制方式程序I/O方式中断驱动I/O方式式直接存储器器访问DMAI/O控制方方式I/O通道道控制方式式12/29/202249中断驱动动I/O方式中断驱动动（InterruptDriven））方式，即即当某进进程要启启动某个个I/O设备工工作时，，便由CPU向向相应的的设备控控制器发发出一条条I/O命令，，然后立立即返回回继续执执行原来来的任务务设备控制制器按命命令要求求去控制制指定的的I/O设备，，完成后后，通过过中断向向CPU发送一一中断信信号在I/O设备输输入数据据的过程程中，无无须CPU干预预，每次传送送一个字字符12/29/202250中断驱动动I/O方式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存下条指令完成未完中断CPU(b)中断驱动方式做其它事优点：提提高了CPU的的利用率率（成百百倍）缺点：每每I/O一个数数据都要要中断一一次CPU，在在一次数数据传送送中断多多次，耗耗去大量量CPU处理时时间对I/O设备的的控制，，当某进进程要启启动某个个I/O设备工工作时，，便由CPU向向相应的的设备控控制器发发出一条条I/O命令，，然后立立即返回回继续执执行原任任务。设设备控制制器便按按照该命命令的要要求去控控制I/O设备备。12/29/2022515.2.2中中断驱动I/O控制方方式在I/O设备备输入每个数数据的过程中中，由于无须须CPU干预预，因而可使使CPU与I/O设备并并行工作。仅仅当输完一个个数据时，才才需CPU花花费极短的时时间去做些中中断处理。可可见，这样可可使CPU和和I/O设备备都处于忙碌碌状态，从而而提高了整个个系统的资源源利用率及吞吞吐量。例如，从终端端输入一个字字符的时间约约为100ms，而将字字符送入终端端缓冲区的时时间小于0.1ms。若若采用程序I/O方式，，CPU约有有99.9ms的时间处处于忙—等待待中。采用中中断驱动方式式后，CPU可利用这99.9ms的时间去做做其它事情，，而仅用0.1ms的时时间来处理由由控制器发来来的中断请求求。可见，中中断驱动方式式可以成百倍倍地提高CPU的利用率率。12/29/202252I/O控制制方式式程序I/O方式式中断驱驱动I/O方式式直接存存储器器访问问DMAI/O控控制方方式I/O通道道控制制方式式12/29/202253DMA方式式特点数据传传输的的基本本单位位是数据块块所传送送的数数据是是从设备备直接接送入入内存存的，或或者相相反仅在传传送一一个或或多个个数据据块的的开始和和结束束时才需需CPU干预预除了具具有中中断机机构外外，还还增加加了DMA控制制器数据传传送方方向、、存放放数据据的内内存地地址及及传送送数据据长度度需CPU控制制每个设设备需需配置置一个个DMA控控制器器12/29/202254DMA方方式式向I/O控制器发布读块命令CPU→DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA→CPU下条指令(c)DMA方式12/29/202255DMA方方式DMA控控制器的的组成主机与DMA控控制器的的接口DMA控控制器与与块设备备的接口口I/O控控制逻辑辑12/29/202256DMA方式DMA控制器器中四类寄存存器命令/状态寄寄存器CR接收CPU发发送的I/O命令或有关关控制信息，，或设备状态态内存地址寄存存器MAR输入时：数据据存放到内存存的起始目标地址址输出时：存放放数据由内存存到设备的内存源地址数据寄存器DR暂存从设备到到内存/内存存到设备的数数据数据计数器DC存放本次CPU要读或写写的字（节））数12/29/202257DMA方式DMA控制器器的组成主机与DMA控制器的接接口DMA控制器器与块设备的的接口I/O控制逻逻辑12/29/2022583.DMA工作过过程（1）CPU从磁盘盘读入一个个数据块时时，向磁盘盘控制器发发送一条读读命令。该该命令被送送到其中的的命令寄存存器CR中中；将发送送数据的内内存始址放放到MAR中；要读读的数据的的字节数送送入DC中中，将磁盘盘中的源地地址送到I/O控制制逻辑上。。（2）启动动DMA控控制器进行行数据传送送，此时CPU可去去处理其他他任务。（（整个数据据传送过程程由DMA控制器进进行控制））。12/29/2022593.DMA工作过过程DMA控制制过程为：：（1）当DMA控制制器已从磁磁盘中读入入一个字节节的数据并并送入数据据寄存器DR中，再再挪用一个个存储器周周期，将该该字节传送送到MAR所指示的的内存单元元中。（2）对MAR加1，将DC内容减1，若减1后，DC内容不为为0，表示示传送未完完，便继续续传送下一一个字节；；否则，由由DMA控控制器发出出中断请求求。12/29/202260DMA方式式DMA方式的工作流程设置MAR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC＝0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是12/29/202261DMA12/29/202262DMA12/29/202263DMA12/29/202264DMA方式式DMA与中中断方方式的的主要要区别别中断方方式在在每个个数据据传送送完后后中断断CPU，，DMA方方式则则是在在所要要求传传送的的一批批数据据全部部传送送完时时中断断CPU中断方方式的的数据据传送送时在在中断断处理理时由由CPU控控制完完成的的，而而DMA则则是在在DMA控控