华东理工大学《操作系统》第九章设备管理

第九章设备管理

9.1概述(ɡàishù)

9.2数据传送控制方式

9.3中断技术

9.4缓冲技术

9.5设备分配

精品资料19.1概述I/O的特点1.I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 (1)CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 (2)CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的进程(jìnchéng) (3)进程(jìnchéng)切换多，系统开销大精品资料22.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发(bìngfā)，均来自I/O外设种类繁多，结构各异输入输出数据信号类型不同速度差异很大3.理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键精品资料3设备(shèbèi)的分类1.按使用特性分存储型设备(shèbèi)输入型设备(shèbèi)（外设主机）输出型设备(shèbèi)（主机外设）输入输出型设备(shèbèi)（交互型设备(shèbèi)）精品资料42.按数据组织分块设备以数据块为单位存储、传输信息(xìnxī)如磁盘，磁带字符设备以字符为单位存储、传输信息(xìnxī)如键盘，打印机精品资料53.按外部设备(shèbèi)的从属关系分系统设备(shèbèi)指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备(shèbèi)（如终端、磁盘机等）用户设备指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于(duìyú)这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。（如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备）精品资料64.按资源分配角度分独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁带等）共享设备在一段时间内可有多个(duōɡè)进程共同使用的设备，多个(duōɡè)进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）精品资料7虚设备通过虚拟技术在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，将一个独占设备变换为基若干台逻辑设备，供多个用户(yònghù)可同时使用，被模拟的设备称为虚设备目的：提高设备的利用率精品资料8设备管理的目标和任务按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换2.保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略(cèlüè)分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作精品资料93.向用户提供使用(shǐyòng)外部设备的方便接口，使用(shǐyòng)户摆脱繁琐的编程负担方便性友好界面透明性用户能屏蔽硬件细节而方便的使用(shǐyòng)设备，用户申请使用(shǐyòng)设备时，只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请进程精品资料104.充分利用各种技术（通道(tōngdào)，中断，缓冲等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率并行性均衡性（使设备充分忙碌）5.保护设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的精品资料119.2数据传送控制方式I／O设备组成I／O设备一般由机械和电子两部分组成把这两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计1.物理设备机械部分是设备本身（物理装置）2.设备控制器电子部分叫做设备控制器或适配器。完成设备与主机(zhǔjī)间的连接和通讯精品资料12

CPU外部设备控制逻辑电路控制寄存器状态寄存器数据寄存器设备(shèbèi)控制器控制器和设备之间的接口(jiēkǒu)有三种类型的信号：1)数据信号：对输入而言，设备发送给设备控制器；对输出，则方向相反2)控制信号：设备控制器发送给设备的，规定设备执行的操作(读、写及其它如移动磁头的信号)3)状态信号：指示设备的当前状态(读、写、读完成及写完成)精品资料13

外设与内存之间常用(chánɡyònɡ)的数据传送控制方式：程序I/O(直接控制)方式中断I/O方式DMA方式通道方式精品资料149.2.1循环I/O测试(cèshì)方式循环I/O测试方式又称为程序查询(cháxún)方式。完全用程序直接控制数据在CPU和外部设备之间的传输，即由CPU主动控制完成。当用户程序需要数据时，通过CPU向设备控制器发出一条I/O命令，同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，Busy=1表输入机尚未输完到数据寄存器中。尔后CPU不断循环测试busy,直至busy=0.CPU将数据寄存器的数据取出，送入内存指定单元中。接着，再启动去读下一个数据，并置busy=1.又称忙-等待方式程序i/o指令启动外设测试指令外设i/o完成了吗？精品资料15缺点：(无中断机构)1、CPU高速性与I/O设备的低速性，造成CPU的极大浪费(làngfèi)。2、不具有并行工作能力只适用于CPU速度慢，且外设较少的系统精品资料169.2.2程序中断(zhōngduàn)控制方式1.程序中断(zhōngduàn)方式

在硬件结构上，程序中断方式要求CPU与I/O设备（或接口）之间有相应的中断请求线.当用户程序需要数据时，通过CPU向设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续其他的任务。CPU和I/O并行操作。直到数据寄存器装满数据；发出中断，取出数据到内存。重复以上过程，直至数据传输完成。精品资料17进程A程序I/O请求CPU执行I/O中断处理程序－－－－－－－－－－－－－－－－－外设CPU指令启动外设进程B程序--------------------12返回用户进程I/O中断请求返回程序中断方式35CPU响应中断4精品资料182.程序中断(zhōngduàn)方式的优缺点：一般数据缓冲寄存较小，一次数据传输多次中断。使得CPU忙于处理(chǔlǐ)中断，耗费了大量的时间。多种外设，中断次数剧增，造成中断无法响应而丢失数据。改善了CPU的利用率，并使输入，输出和处理这三者更好地并行操作。

优点：缺点：精品资料195.2.3直接(zhíjiē)存储器存取（DMA）方式由于程序中断的控制方式不适用于大批量数据传送，所以在I/O系统中引入了直接存储器存取（DMA：DirectMemoryAccess）方式，简称为DMA方式。基本(jīběn)思想：在外设与内存之间开辟直接的数据交换通路。1．DMA控制器的组成（1）内存地址寄存器用于存放内存中要交换的数据地址。在DMA传送前，通过程序将数据块的初始地址送入该寄存器中，以后每交换一次数据，地址寄存器自动加1，形成下一次交换数据的地址。精品资料20精品资料21（2）传送字节数计数器用于存放传送数据块的长度。在DMA传送前，通过程序设置。每传送一个(yīɡè)字节，字节数计数器内容自动减1，为0时表示此数据块传送完毕。（4）控制状态寄存器该寄存器用于控制DMA的传送，并对DMA请求信号和CPU响应(xiǎngyìng)信号进行协调和同步。（3）数据缓冲寄存器用于暂时存放每次传送的数据。输入时，数据由I/O设备传送到该寄存器中，再通过数据总线传入内存。输出时，则正好相反。

DMA方式实际上采用了窃取总线控制权的方式进行传送，CPU让出总线控制权，不再访问内存，DMA控制器得到总线控制权来控制外设与内存的数据传送。精品资料222.DMA的传送(chuánsònɡ)过程（1）进程要求设备输入输出时，CPU执行I/O指令，设置DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器，并把状态寄存器中的中断允许(yǔnxǔ)位置1，启动设备。设备在准备好发送的数据后，DMA控制器发出DMA请求，申请内存和总线的控制权。（2)CPU响应DMA请求，让出总线控制权。由DMA控制器得到内存和总线控制权。（3)要求I/O的进程进入阻塞态，等待I/O完成。（4)DMA控制器按照地址寄存器中的数据内存地址并通过数据缓冲寄存器，控制设备与内存之间直接交换数据。直到所要求的一批数据传送完成，发出中断请求。（5)CPU接收DMA中断请求，转入中断处理，处理完成后，恢复等待的I/O的进程运行，或者重新调度。精品资料23DMA方式与中断方式的主要区别：中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理DMA方式则是在所要求传送(chuánsònɡ)的数据块全部传送(chuánsònɡ)结束时要求CPU进行中断处理，大大减少了CPU进行中断处理的次数中断方式的数据传送(chuánsònɡ)是由CPU控制完成的而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的。3．DMA方式(fāngshì)的优缺点I/O设备在硬件控制交换数据，CPU基本上不干预数据的传送操作，降低了系统的复杂性，提高了I/O效率。优点：缺点：DMA方式窃取了总线控制权，使得CPU处理的效率下降。精品资料245.2.4通道的控制(kòngzhì)方式1.通道(tōngdào)结构通道（channel）又称为I/O处理器，是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入，输出操作可与CPU并行操作。通道本身是一台I/O处理器，它本身执行的命令称为通道命令字(CCW:ChannelCommandWord)，简称为CCW。2.通道的工作方式精品资料25CCW命令格式一般包括：操作码、数据传输内存地址、特征位、计数器(数据块长度)例一个通道程序，从磁带机上读入两条记录，送入内存相应的单元(dānyuán)中。操作PR计数内存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write002501850Write11250720操作码：规定了指令进行的操作，读、写及控制(kòngzhì)内存地址：标明字符送入内存(读操作)或从内存取出(写操作)时的内存首址。通道程序结束位P：表通道程序是否结束。1为最后一条指令记录结束标志位R：0表本指令与下一条通道指令所处理的数据同属一个记录。1表处理某记录的最后一条指令。计数器：本条指令所操作数据字节数精品资料263.工作(gōngzuò)原理1)执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存），CPU启动通道工作;2)通道接收到“启动I/O”指令后，取出第一条指令，同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，则通道独立(dúlì)于CPU工作,开始执行通道程序，完成传输工作;3)当通道传输完成最后一条指令时，向CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号，决定下一步做什么。精品资料27采用通道结构的计算机系统，主机，通道，控制器和设备之间采用四级连接，实施三级控制。通常(tōngcháng)，一个主机可以连接多个通道，一个通道可以连接多个控制器，一个控制器又可以连接同类型的多台设备。有的系统还可以把一台设备连接到几个控制器，一个控制器连接到几个通道上，实现多路交叉连接。精品资料284通道(tōngdào)的类型（1）字节(zìjié)多路通道适用于连接慢速的字符设备，如打印机，终端等I/O设备。他以字节交叉方式控制设备传输信息，当为一台设备传送一个字节后，立即转去为另一台设备传送一个字节。（2）选择通道

适用于连接高速I/O设备，如磁盘，磁带。每次只能把通道

分配给一台设备独占使用，即使暂时出现空闲，也不允许其

他设备使用，直到传送完成后才让出子通道。（3）成组多路通道数据传送是按成组（数据块）方式进行的，首先为一台设备执行一条通道命令，传送一批数据，然后再选择另一台设备执行一条通道命令。

精品资料29通道(tōngdào)的类型成组多路通道快速设备1快速设备2快速设备3快速设备i选择通道快速设备1快速设备2快速设备j慢速设备2慢速设备3字节多路通道以数据块独占方式控制设备慢速设备1以字节交叉方式控制设备传输信息1以数据块分时方式控制设备传输信息32精品资料309.4缓冲技术1.缓冲技术的引入凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率减少了I/O设备对处理器的中断请求次数简化了中断机制(jīzhì),节省了系统开销提高CPU与I/O设备之间的并行性精品资料312.缓冲区管理单缓冲:设备(shèbèi)与处理机之间设置一个缓冲器。双缓冲：两台外设通信时，外设设置双缓冲器多缓冲：多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，一部分专门用于输出。缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理，既可用于输入又可用于输出。精品资料329.5设备分配设备分配与回收当某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略(cèlüè)分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换.精品资料331.数据结构：设备控制(kòngzhì)块DCB（设备控制(kòngzhì)表DCT）控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)块COCB（控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)表COCT）通道控制(kòngzhì)块CHCB（通道控制(kòngzhì)表CHCT）系统设备表SDT精品资料341）系统设备表SDT整个系统一张表，记录系统中所有I/O设备的信息，表目包括：设备类型、设备标识符、进程(jìnchéng)标识符、DCT设备控制表指针等2）设备控制表DCT主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、与此设备相连的COCT(