蒲晓蓉-操作系统原理第4章-外部设备管理

1、第4章设备管理，牙齿章节的要点，设备管理的主要功能，型号I/O子系统的配置，结构设备控制，I/O控制设备类型设备分配I/O缓冲技术虚拟设备和SPOOLing系统磁盘设备管理，4.1设备管理概述，设备管理的主要功能，设备分配设备映射设备驱动I/O设备分配功能设备分配程序便于实施应用软件I/O重定向，以便根据特定策略将设备分配给请求设备的用户进程、记录设备使用情况、管理设备的主要功能、设备分配设备映射驱动程序I/O缓冲区管理、设备映射和提高应用软件对执行平台的适应性。大多数现代操作系统都支持应用软件到设备的独立性，即设备独立性：为了执行I/O操作，应用软件参考设备与物理I/O系统中实际安装的设备没

2、有固定连接。设备映射、逻辑和物理设备逻辑设备是执行应用软件引用的I/o操作的设备。物理设备是物理I/O系统中实际安装的设备。从应用软件的角度来看，逻辑设备是物理设备的抽象。从操作系统设备管理器的角度来看，物理设备是逻辑设备的一个实例。设备映射，如果系统支持设备独立性，则该系统的应用软件参考逻辑设备与实际安装的物理设备没有固定连接。实际上，在应用软件运行期间，操作系统设备管理器必须将对逻辑设备的应用软件引用转换为对相关物理设备的引用。设备管理的这一功能称为逻辑设备到物理设备映射功能(称为设备映射功能)。也称为设备管理的主要功能、设备分配设备映射驱动程序I/O缓冲区管理、驱动程序、设备处理，是指对

3、物理设备进行实际I/O操作的控制。以设备为中心的主要任务是通过上层软件(例如读/写命令)的抽象服务请求(例如读/写命令、转换为特定要求、一系列I/O命令来控制设备完成请求操作)。驱动程序设备还将从设备发送的相关信号传递给父软件(例如，设备是否损坏等)。设备驱动、驱动程序和硬件密切相关，对于每种类型的设备，一个驱动程序配置驱动程序设备通常由设备开发人员根据操作系统要求编写，操作系统()仅要求设备驱动的界面，一般不负责编写特定的设备驱动程序。在某些情况下，有些硬件不能在任何操作系统上使用。原因是有专门或通用的设备驱动程序或设备驱动程序设计问题，设备可能不能正常工作。设备管理的主要功能、设备分配设备

4、映射设备驱动I/O缓冲区管理、I/O缓冲区管理、为了提高处理器和外部设备之间的并行度以缓解处理器和外部设备之间的速度不匹配，现代操作系统大部分都在设备管理部分引入了缓冲技术。缓冲区通常是内存中的多个区域，用于在缓存进程和外部设备之间传输数据。也称为I/O缓冲区。管理I/O缓冲区的任务是配置I/O缓冲区，并为用户提供获取和释放I/O缓冲区的手段。通用设备管理层模型、设备管理功能模块划分为设备硬件独立和设备硬件相关层。设备硬件独立层的主要实施：I/O缓冲区管理和设备映射功能。牙齿层与设备使用相关，与设备硬件无关。牙齿层通常可以视为虚拟存储系统、文件系统或通信系统的一部分，具体取决于设备的使用情况。

5、通用设备管理层模型、设备硬件相关层将设备硬件独立层与设备硬件层隔离开来。从硬件独立层的角度来看，设备硬件相关层提供了相对简洁的I/O功能接口。牙齿接口阻止复杂的硬件操作细节。从设备硬件相关层内部看，牙齿层主要实现设备驱动功能。毫无疑问，牙齿层与设备硬件密切相关。通用设备管理分层模型、中断支持的设备管理模型、4.2电脑I/O子系统的配置、总线I/O系统的结构、通道I/O系统的结构、控制器所在的I/O系统的结构、现有设备=机械部分电子部分在系统控制下运行，因为设备的电子部分比机器部分快得多。控制器将电子部件与设备分开，作为单独的部件使用，以降低硬件成本。分离的设备仅由机械部分组成，可以将一个控制器

6、连接到多个设备，以交替或分时控制连接的设备。例如，磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器。控制器的I/O系统结构，设备的控制单元寻址和操作，从处理器的角度来看，各种外部设备都是由一组设备寄存器组成的。典型的设备寄存器包括操作寄存器、命令寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。为了使CPU能够指定这些设备寄存器地址，硬件平台引入了I/o通信端口地址概念。设备的控制设备寻址和操作，以及I/o通信端口寻址方法有两种：(1)设备寄存器和内存物理单元集成寻址。(2)内存物理地址无关的寄存器寻址。无论一个设备是由多个控制器控制，还是一个控制器控制的设备数，每个设备都通过这些寄存器地址唯一确定。随着设备控制随插即用、外

7、部设备种类的增加，设备之间很可能发生冲突。这意味着设备可能无法正常工作，因为设备使用的中断编号、DMA、记忆体位址和通信端口地址相同或重叠。要手动调整这些设备的相关参数，用户需要更多的电脑硬件知识，并对系统配置的硬件整体有所了解。设备控制随插即用，顾名思义，插入即可使用，用户无需进行其他设置。“随插即用”技术消除了跳线和软件配置程序，当用户插入“随插即用”适配器卡或设备时，“随插即用”功能将自动检测到并执行相应的介面参数配置和驱动程序安装。用于安装的硬件自动和动态识别的设备控制随插即用、系统初始安装、系统启动之间和运行时发生的硬件事件(如笔记本电脑坞站/断开和设备插入/断开)响应，以及包含操作

8、系统分配/重新分配硬件资源的分配/重新分配在驱动程序加载系统中添加新设备时，系统会提示用户指定设备驱动程序位置并完成设备驱动程序的安装，而无需集成这些设备的操作系统驱动程序。驱动程序、设备驱动程序，通常由设备制造商提供，不包括操作系统。但是为了方便用户，操作系统软件包通常集成了标准、通用或流行的通用设备供应商的设备驱动程序()牙齿，用户可以选择。从系统分层的角度来看，驱动程序设备可以视为操作系统或硬件设备的一部分。I/O控制节目I/O方法；在以前的电脑系统中，由于没有中断设备，处理器控制I/O设备的节目I/O方法也称为忙模式或循环测试模式。对于读取操作，牙齿式的基本工作流程是处理器向设备(或设

9、备控制器)发出I/O命令以启动设备、输入数据，并将状态寄存器期间的“忙”标志设置为1。处理器继续循环使用中标记，直到使用中标记牙齿为零。处理器通过I/O读取命令获取数据寄存器数据，并将其发送到内存中指定的单元。如果读取了数据，请退出牙齿过程；否则，请继续读取以下数据：节目I/O方式的处理器速度非常快，因此设备速度相对较慢，在等待处理器完成数据I/O的周期测试上花费了大部分时间，在CPU上造成了巨大的浪费。I/O控制方法中断I/O方法；对于读取操作，中断方法的基本操作过程是处理器向设备(或设备控制器)发出I/O命令，引导设备并输入数据。处理器完成其他任务，设备准备数据。设备准备数据，将数据存入数

10、据寄存器，向处理器发送中断信号，然后通知数据准备就绪。处理器响应中断请求，获取数据寄存器数据并将其发送到内存中的指定单元。数据已经读完了就结束吧。否则，转身，继续。中断控制I/O的优点是设备与处理器并行，提高了处理器利用率。性能优于节目控制I/O方法。I/O控制DMA方法，中断I/O比节目I/O方法更有效，但传输单元是单词/字节。每次完成单词/字节传输后，设备必须向CPU发出一次中断请求。在块设备上，牙齿方式的效率似乎仍然有点低。因为频繁、大量的中断，积累的支出很多。为了进一步减少处理器I/O事务处理的干扰，出现了直接内存访问(DMA)直接内存访问方法。DMA的特征，数据传输的基本单位是数据块

11、。数据直接从设备供应到内存，或直接从内存供应到设备。只有在传递一个或多个数据块的开始和结束时，才需要处理器介入。与中断方法相比，DMA方法大大减少了数据I/O的处理器使用，进一步提高了处理器利用率，并提高了处理器和I/O设备的并行运行能力。I/O控制方法I/O通道方法，通道与设计用于处理I/O操作的简单功能处理器相同。通道有自己的运输控制部件和命令系统，但没有专用内存，而是以“周期失窃”的方式与主机共享内存。运行通道通道程序以完成I/O操作。通道程序是通道指令的顺序，由系统的I/O进程根据用户进程的I/O要求确定。可以是预先准备的节目段，也可以动态创建。通道程序和需要与设备交换的数据都放在内存

12、中。I/O控制方法I/O通道方法，通道命令可以传输数据集，通道程序可以传输多个数据集。多个数据集全部发送(即通道节目运行完成后)，然后仅中断发送到处理器一次。通道不仅可以传输数据，更重要的是，还完成了对设备的控制。在通道的帮助下，主机只需启动通道并发出执行通道进程的命令。主机仅与通道直接通信，大大减轻了主机的负担，无论设备的具体控制和资料传输如何完成。4.3根据设备分类、设备类型、外部设备用途，可分为输入/输出设备和存储设备。根据外围设备传输的基本数据单元，设备可以分为块设备和字符设备。根据资源管理方式，设备可以分为单独设备和孔刘设备。输入/输出到存储设备、输入/输出设备：键盘、鼠标、显示器、

13、读卡器、扫描机、打印机、绘图仪、数码相机等。存储设备：可以用作输入，如磁带机、鼓、磁盘驱动器等，也可以用作输出。主要用于长期保留信息，但需要管理存储空间。存储设备可以存储文件系统、组织和组织的器官信息。块设备到字符设备，块设备通常是存储设备。这些设备由多个长度相同的块组成。一片的长度通常为2n字节，如256B、512B、1024B等。对于这些设备，块是存储分配的基本单位，也是I/O传输的基本单位。字符设备通常是输入/输出设备。这些设备I/O传输的基本单位是字节。独占VS孔刘设备、独占设备包括所有字符设备和磁带机。一段时间内最多只能使用一个进程。使用时，进程会先请求系统，然后可能处于阻塞状态。设

14、备可用时，请唤醒备用进程。使用完成后，进程必须释放设备。孔刘设备包括磁带机以外的所有块设备。I/O传输单元：块宏观上，孔刘单元可能同时被多个进程占用。微观上，多个进程交替使用同一设备。如果进程使用这些设备，则无需请求或释放设备，并且该进程使用设备时不会出现问题。4.4设备分配，分配：设备、控制器和通道必须记录相关信息。包括资源识别、物理连接、占用过程、等待过程等。具体实施方式可以分为设备控制块、控制器控制块和通道控制块。这些控制块中包含的信息因系统而异。设备控制块单元控制块(UCB)、控制器控制块CUCB、通道控制块CCB、设备独立性、设备独立性、操作系统要求进程请求设备时，必须指定所需设备的

15、类别。系统根据流程请求和资源分配情况，从该类别的设备中选择空闲物理设备，并将其分配给申请人。优点，提高设备利用率，从根本上说，申请者不关心使用什么设备，只关心使用设备的结果。假设申请人指定特定设备，指定的设备可能在使用中，因此申请可能无法满足。其他伪设备此时可能处于空闲状态。这会导致资源浪费和进程中不必要的等待。程序与设备无关。如果申请人指定了特定设备，但指定的设备已损坏或未联机，则程序无法正常运行或修改程序。系统设备表SDT，根据上述实施要求，系统通常将相同类型设备的UCB写入名为UCB表的表中。将逻辑设备名称、设备数、设备排队队列和UCB表的起始地址注册到其他通常称为系统设备表(SDT)的

16、表中，如表4.7所示。设备分配算法，首先服务根据服务进程对设备的请求优先级，将这些进程排列到设备请求队列中。设备分配程序始终是将设备分配到组首的过程。高优先级服务根据进程优先级的高低，将高优先级进程置于设备等待队列之前。对于优先级相同的进程，按照先到先服务原则排队。设备分配器始终将设备分配给备用优先级进程。独占设备分配，进程使用独占设备的进程(申请、使用、释放)。1进程请求设备2系统分配设备3进程传输使用命令4系统进入驱动程序模块，I/O传输5进程完成设备6系统回收设备释放进程中的一次设备独占设备，直到请求成功。无需申请分配孔刘设备，在流程中使用孔刘设备，当然也没有占用或释放设备的问题。但是，

17、在I/O期间，只有一个进程可以使用设备。因此，在进程中使用孔刘设备之前，存在隐式请求命令。使用完成后，存在隐式释放命令，以在主I/O传输过程中实现排他性，从而使操作正常进行。使用孔刘设备时，进程完全有可能进入阻塞等待状态。、4.5 I/O缓冲区技术、缓冲区技术的引入、处理器和设备之间的速度不匹配缓解设备和处理器之间的速度不匹配、降低设备中断频率、缓解中断反应时间限制、预读、用户进程在I/O缓冲区期间删除旧数据后，立即发送下一个数据的输入请求。响应请求，以便将用户进程所需的以下数据从用户进程中指定的输入设备读取到I/O缓冲区(I/O)中：显然，用户进程处理旧数据的操作可以与操作系统输入以下数据的操