最終的所有14設備管理

1、外部設備：外部設備：計算機系統(tǒng)中除了中央處理機和計算機系統(tǒng)中除了中央處理機和主存儲器外的其它設備稱為外部主存儲器外的其它設備稱為外部設備。設備。設備管理就是對外部設備進行統(tǒng)一的管理，向用設備管理就是對外部設備進行統(tǒng)一的管理，向用戶提供簡單而一致的方式訪問各種戶提供簡單而一致的方式訪問各種I/O設備。設備。按工作特點：按工作特點：輸入輸出設備輸入輸出設備存儲設存儲設備備按資源分配方式：按資源分配方式：獨占設備獨占設備共享設備共享設備虛擬設備虛擬設備按信息交換單位：按信息交換單位：字符設備字符設備塊設備塊設備CPU存儲器存儲器高速高速I/O設備設備共享總線共享總線低速低速I/O設備設備設備控制器設

2、備控制器位于位于CPUCPU與設備之間，接收與設備之間，接收CPUCPU下達的輸入、輸出命令下達的輸入、輸出命令并控制具體設備實現操作。并控制具體設備實現操作。一個控制器可控制一個或多個一個控制器可控制一個或多個I/OI/O設備。設備。存在形式為各種接口卡。存在形式為各種接口卡。接收和識別命令；數據暫存、緩沖；監(jiān)測設備狀態(tài)。接收和識別命令；數據暫存、緩沖；監(jiān)測設備狀態(tài)。數據接口、控制接口、狀態(tài)接口數據接口、控制接口、狀態(tài)接口數據線數據線數據寄存器數據寄存器地址線地址線I/O邏輯邏輯控制線控制線數據信號數據信號控制信號控制信號狀態(tài)信號狀態(tài)信號數據信號數據信號控制信號控制信號狀態(tài)信號狀態(tài)信號控制器

3、與控制器與設備接口設備接口控制器與控制器與設備接口設備接口設備管理的主要任務就是控制設備與設備管理的主要任務就是控制設備與CPU間的數據傳遞，主要有以下數傳控制方式：間的數據傳遞，主要有以下數傳控制方式：中斷控制方式中斷控制方式2直接內存訪問（直接內存訪問（DMA）方式）方式3通道（通道（ChannelChannel）方式）方式4程序查詢方式程序查詢方式1由程序循環(huán)查詢外部設備的狀態(tài)，在外設進行數由程序循環(huán)查詢外部設備的狀態(tài)，在外設進行數據處理時據處理時CPU只能等待。只能等待。開始接收開始接收數據數據有數據有數據接收？接收？否否是是忙等忙等接收接收開始發(fā)送開始發(fā)送數據數據設備空閑？設備空閑？

4、否否是是忙等忙等發(fā)送發(fā)送外部設備與外部設備與CPU之間傳遞數據通過專門的中斷請求之間傳遞數據通過專門的中斷請求信號來進行。信號來進行。 I/O操作由程序發(fā)起，在操作完成時操作由程序發(fā)起，在操作完成時（如數據可讀或已經寫入）由外設向（如數據可讀或已經寫入）由外設向CPU發(fā)出中斷，發(fā)出中斷，CPU完成數據的讀寫。完成數據的讀寫。要求：要求：專門的中斷請求線、專門的中斷標志位專門的中斷請求線、專門的中斷標志位優(yōu)點：優(yōu)點：在外設進行數據處理時，在外設進行數據處理時，CPU不必等待不必等待實現了讓權等待。實現了讓權等待。缺點：缺點：CPU每次處理的數據量少（通常以字節(jié)為單每次處理的數據量少（通常以字節(jié)為

5、單位），適于數據傳輸率較低的設備。位），適于數據傳輸率較低的設備。進程利用中斷實現輸入、輸出流程：進程利用中斷實現輸入、輸出流程：初始化初始化阻塞等待輸入阻塞等待輸入控制設備控制設備完成輸入完成輸入根據中斷類型喚醒等待進程根據中斷類型喚醒等待進程設備產生輸入中斷設備產生輸入中斷輸入向設備輸出數據向設備輸出數據阻塞等待輸出完成阻塞等待輸出完成根據中斷喚醒等待進程根據中斷喚醒等待進程設備產生輸出中斷設備產生輸出中斷輸出引入思想：減少引入思想：減少CPU在數據傳遞過程中的干預，在數據傳遞過程中的干預， DMA控制器完成內存與外設的成批數據交換。控制器完成內存與外設的成批數據交換。優(yōu)點：優(yōu)點：CPU只

6、需干預只需干預I/O操作的開始和結束，而其中操作的開始和結束，而其中的一批數據讀寫無需的一批數據讀寫無需CPU控制，適于高速設備?？刂疲m于高速設備。System BusI/OControllerI/OControllerProcessorDMAControllerMemory.1.1. 由程序設置由程序設置DMADMA控制器中的若干寄存器值（如內存始址，控制器中的若干寄存器值（如內存始址，傳送字節(jié)數），然后發(fā)起傳送字節(jié)數），然后發(fā)起I/OI/O操作；操作；2.2. 數據直接在數據直接在DMADMA控制器控制下通過總線傳遞到內存中；控制器控制下通過總線傳遞到內存中；3.3. 在完成指定量的數據

7、接收后，在完成指定量的數據接收后，DMADMA控制器才向控制器才向CPUCPU產生產生中斷；中斷；4.4. 通過中斷處理程序喚醒等待數據的進程；通過中斷處理程序喚醒等待數據的進程；5.5. 等待數據的進程經過調度處理輸入的數據。等待數據的進程經過調度處理輸入的數據。DMA過程：過程：不再每個字符傳遞后發(fā)中斷，實現了塊傳遞不再每個字符傳遞后發(fā)中斷，實現了塊傳遞再中斷，減少了再中斷，減少了CPUCPU的占用時間的占用時間通過執(zhí)行通道程序并行完成一系列輸入輸出過程通過執(zhí)行通道程序并行完成一系列輸入輸出過程通道：通道：通道是一種特殊的處理機，具有執(zhí)行通道是一種特殊的處理機，具有執(zhí)行I/OI/O指令指令

8、的能力，通過執(zhí)行通道程序來控制的能力，通過執(zhí)行通道程序來控制I/OI/O操作。操作。1、通道程序有自己的指令系統(tǒng)，是一個相對完整的過程。、通道程序有自己的指令系統(tǒng)，是一個相對完整的過程。CPU只需向通道發(fā)出一條指令，通道便從內存中取出本次執(zhí)只需向通道發(fā)出一條指令，通道便從內存中取出本次執(zhí)行的通道程序并執(zhí)行。行的通道程序并執(zhí)行。2、通道之間可以并行執(zhí)行，進一步減少了、通道之間可以并行執(zhí)行，進一步減少了CPU對輸入輸出過對輸入輸出過程的干預。提高程的干預。提高CPU與設備之間的并行性，提高資源利用率。與設備之間的并行性，提高資源利用率。3、主機具有一個或多個通道，一個通道可管理一個或多個設、主機具

9、有一個或多個通道，一個通道可管理一個或多個設備控制器；通道和備控制器；通道和CPU共享一個主存共享一個主存特點：特點：作用：作用：解決解決CPUCPU與與I/OI/O設備速度匹配問題設備速度匹配問題速度速度1速度速度2基本思想：基本思想： 在內存中開辟一定的在內存中開辟一定的專用區(qū)域，作為專用區(qū)域，作為CPUCPU和和I/OI/O設備之間進行信息交流的設備之間進行信息交流的工作區(qū)工作區(qū)緩沖區(qū)緩沖區(qū)專用緩沖區(qū)：專用緩沖區(qū)：為某臺設備專門設置的，單獨使用的緩沖區(qū)為某臺設備專門設置的，單獨使用的緩沖區(qū)公用緩沖區(qū)：公用緩沖區(qū)：為多臺或者全部設備設置的，共享的緩沖區(qū)為多臺或者全部設備設置的，共享的緩沖區(qū)

10、按使用方式劃分：按使用方式劃分：按數量劃分：按數量劃分：單緩沖區(qū)單緩沖區(qū)雙緩沖區(qū)雙緩沖區(qū)多緩沖區(qū)多緩沖區(qū) 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖緩沖池：緩沖池：由多個大小相等的緩沖區(qū)連接起來構成緩沖池由多個大小相等的緩沖區(qū)連接起來構成緩沖池在在CPUCPU和設備之間設置一個緩沖區(qū)和設備之間設置一個緩沖區(qū)速度速度1速度速度2注意：注意：1. 單緩沖區(qū)是臨界資源，讀寫單緩沖區(qū)是臨界資源，讀寫必須互斥訪問。必須互斥訪問。2. 單緩沖區(qū)只能實現匹配速度，單緩沖區(qū)只能實現匹配速度，不能實現并行操作。不能實現并行操作。在在CPUCPU和設備之間設置兩個緩沖區(qū)和設備之間設置兩個緩沖區(qū)設備設備1設備設備2CPU提高了提高了CPU與

11、設與設備之間的并行度備之間的并行度多個緩沖區(qū)循環(huán)使用，類似循環(huán)隊列多個緩沖區(qū)循環(huán)使用，類似循環(huán)隊列next_innext_outCPU設備輸入設備輸入可供多個對象共享的公用緩沖區(qū)組成的緩沖池可供多個對象共享的公用緩沖區(qū)組成的緩沖池緩沖區(qū)緩沖區(qū) 1緩沖區(qū)緩沖區(qū) 2緩沖區(qū)緩沖區(qū) 3緩沖區(qū)緩沖區(qū) 4緩沖區(qū)緩沖區(qū) 1緩緩沖沖區(qū)區(qū)緩緩 沖沖 體體緩緩沖沖區(qū)區(qū)首首部部設備號設備號緩沖區(qū)號緩沖區(qū)號緩沖區(qū)地址緩沖區(qū)地址狀態(tài)狀態(tài)數據塊號數據塊號互斥標識位互斥標識位設備緩沖設備緩沖隊列指針隊列指針數數 據據緩沖池中的緩沖區(qū)根據使緩沖池中的緩沖區(qū)根據使用情況劃分為用情況劃分為3 3種隊列：種隊列：inqinq：滿輸

12、入緩沖區(qū)隊列：滿輸入緩沖區(qū)隊列outqoutq：滿輸出緩沖區(qū)隊列：滿輸出緩沖區(qū)隊列emptyqemptyq：空緩沖區(qū)隊列：空緩沖區(qū)隊列從設備輸入的數據緩沖區(qū)隊列從設備輸入的數據緩沖區(qū)隊列準備向設備輸出的數據緩沖區(qū)隊列準備向設備輸出的數據緩沖區(qū)隊列緩沖池操作（四種操作）緩沖池操作（四種操作）設備輸入數據到緩沖池設備輸入數據到緩沖池get empty buffer;fill data in buffer;put buffer in inq;收容輸入收容輸入用戶從緩沖池讀入數據用戶從緩沖池讀入數據get buffer from inq;calculet data in buffer;put buff

13、er back to emptyq提取輸入提取輸入用戶向數據緩沖池輸出數據用戶向數據緩沖池輸出數據get buffer from outq;Send data;put buffer in emptyq;收容輸出收容輸出設備從緩沖池中讀出輸出數據設備從緩沖池中讀出輸出數據并完成輸出并完成輸出get buffer from emptyq;fill data in buffer;put buffer outq;提取輸出提取輸出緩沖池緩沖池設備設備用戶用戶設備分配：設備分配：按一定策略和原則為申請設備的進程分配按一定策略和原則為申請設備的進程分配設備，設備，包括對包括對設備、設備控制器、通道設備、設備

14、控制器、通道的分配。的分配。分配原則：分配原則：1 1、保證申請設備的進程能分配到設備。、保證申請設備的進程能分配到設備。2 2、保證設備分配給該進程是安全的。、保證設備分配給該進程是安全的。分配方式：分配方式：靜態(tài)分配、動態(tài)分配靜態(tài)分配、動態(tài)分配1 1、設備控制表、設備控制表DCTDCT（Device Control TableDevice Control Table）記錄設備信息及設備的控制器表記錄設備信息及設備的控制器表設備標識設備標識設備類型設備類型設備狀態(tài)設備狀態(tài)設備地址或設備號設備地址或設備號設備等待隊列指針設備等待隊列指針I(yè)/O控制器指針控制器指針每個設備一張，可動態(tài)更改每個設備

15、一張，可動態(tài)更改記錄系統(tǒng)中所有設備情況記錄系統(tǒng)中所有設備情況DCT指針指針占用設備的占用設備的進程標識進程標識設備類型設備類型一個系統(tǒng)只有一張一個系統(tǒng)只有一張每個設備在每個設備在SDTSDT中占一個表項中占一個表項3 3、控制器表、控制器表COCTCOCT（Controller Control TableController Control Table）4 4、通道控制表、通道控制表CHCTCHCT（Channel Control TableChannel Control Table）記錄記錄 I/O I/O 控制器控制器信息及通道控制表信息及通道控制表記錄通道信息記錄通道信息設備名設備名設備

16、控制表設備控制表設備名設備名設備控制表設備控制表設備名設備名設備控制表設備控制表設備名設備名設備控制表設備控制表SDTSDT設備名設備名設備控制器設備控制器設備名設備名設備控制器設備控制器狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)狀態(tài)控制器名控制器名通道控制表通道控制表狀態(tài)狀態(tài)控制器名控制器名通道控制表通道控制表狀態(tài)狀態(tài)DCTDCTCOCTCOCT通道標識通道標識狀態(tài)狀態(tài)通道標識通道標識狀態(tài)狀態(tài)CHCTCHCT申請申請SDTDCTCOCTCHCTP 130 圖圖2.451、設備的固有屬性：獨占（靜態(tài)分配）、共享（動態(tài)分配）、設備的固有屬性：獨占（靜態(tài)分配）、共享（動態(tài)分配）2、分配的算法：當申請設備的進程有多個、可用設備有

17、多個時、分配的算法：當申請設備的進程有多個、可用設備有多個時3、設備分配的安全性：死鎖、設備分配的安全性：死鎖先申請的進程先滿足先申請的進程先滿足FIFO； 按進程的優(yōu)先級分配按進程的優(yōu)先級分配安全分配：非請求和保持，安全分配：非請求和保持，CPU與設備串行工作與設備串行工作不安全分配：分配設備時應該進行安全性狀態(tài)檢測不安全分配：分配設備時應該進行安全性狀態(tài)檢測4、邏輯設備與物理設備的獨立性、邏輯設備與物理設備的獨立性用戶使用邏輯設備，由系統(tǒng)控制具體的物理設備；用戶使用邏輯設備，由系統(tǒng)控制具體的物理設備；系統(tǒng)能根據用戶提供的邏輯設備名找到相應的物理設備系統(tǒng)能根據用戶提供的邏輯設備名找到相應的物

18、理設備其它其它輸入井輸入井輸出井輸出井高速高速高速高速脫機：脫機：輸入、輸出是脫離主機完成的。輸入、輸出是脫離主機完成的?？客鈬鷻C的控制輸入、輸出設備與磁盤交換數據。靠外圍機的控制輸入、輸出設備與磁盤交換數據。CPUCPU只與高速磁盤（磁帶）交換數據，只與高速磁盤（磁帶）交換數據，技術要點：技術要點：（1）多道程序并發(fā)執(zhí)行）多道程序并發(fā)執(zhí)行（2）一道程序模擬外圍機的輸入，將數據從設備輸入到磁盤）一道程序模擬外圍機的輸入，將數據從設備輸入到磁盤（3）一道程序模擬外圍機的輸出，將數據從磁盤輸出到設備）一道程序模擬外圍機的輸出，將數據從磁盤輸出到設備（4）其它程序與設備的通信和脫機方式一樣：讀寫高速

19、磁盤）其它程序與設備的通信和脫機方式一樣：讀寫高速磁盤（5）主機仍要控制外圍設備）主機仍要控制外圍設備“假脫機假脫機”特點：特點：（1）提高了進程訪問低速設備速率）提高了進程訪問低速設備速率（2）獨占設備成為虛擬設備）獨占設備成為虛擬設備（3）獨占設備成為共享設備）獨占設備成為共享設備SPOOLing技術技術偽脫機技術偽脫機技術其它其它輸入井：輸入井：輸出井輸出井高速高速高速高速用戶程序用戶程序用戶終端用戶終端其它其它低速低速硬盤硬盤低速低速模擬輸入模擬輸入高速高速模擬輸出模擬輸出高速高速用戶程序獲得：用戶程序獲得： 高速輸入高速輸入 高速輸出高速輸出數據數據數據數據模擬模擬模擬模擬功能：功能：（1）解釋）解釋I/O指令指令（2）發(fā)動并完成具體）發(fā)動并完成具體I/O操作操作（3）響應設備及控制器的）響應設備及控制器的I/O請求，調用相應的中斷處理程序請求，調用相應的中斷處理程序在分配程序完成設備分配之后進行在分配程序完成設備分配之后進行實現方式：實現方式：（1）為每一類設備設