第六節(jié)設備管理

1、第六節(jié) 設備管理6、1 I/O系統(tǒng)的組成 設備管理所管理的資源是除了設備管理所管理的資源是除了CPU、內存儲器以外的所、內存儲器以外的所有輸入、輸出設備，其中也包括設備控制器和通道。有輸入、輸出設備，其中也包括設備控制器和通道。 6、1、1 I/O系統(tǒng)的結構系統(tǒng)的結構 一、微型機一、微型機I/O系統(tǒng)：系統(tǒng)： 二、主機二、主機I/O系統(tǒng)：系統(tǒng)：CPU存儲器存儲器磁盤磁盤控制器控制器打印機打印機控制器控制器其它其它控制器控制器磁盤驅動器磁盤驅動器打印機打印機系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線總線型I/O系統(tǒng)結構計算機通道2通道1控制器控制器控制器控制器設備設備設備設備具有通道的具有通道的I/O系統(tǒng)結構系統(tǒng)結構 6、

2、1、2 I/O設備設備 一、一、I/O設備的類型設備的類型 1)按傳輸速率分類：按傳輸速率分類：a) 低速設備。低速設備。 幾個字節(jié)幾個字節(jié)數(shù)百字節(jié)數(shù)百字節(jié)/s，如鍵盤、鼠標；，如鍵盤、鼠標；b) 中速設備。數(shù)千字節(jié)數(shù)十千字節(jié)中速設備。數(shù)千字節(jié)數(shù)十千字節(jié)/s,如行式打印機；如行式打印機；c) 高速設備。數(shù)百千字節(jié)數(shù)兆字節(jié)高速設備。數(shù)百千字節(jié)數(shù)兆字節(jié)/s,如磁帶機、光盤；如磁帶機、光盤； 2)按信息交換單位分類：按信息交換單位分類：a) 塊設備。信息的存取以數(shù)據塊為單位；塊設備。信息的存取以數(shù)據塊為單位；b) 字符設備。用于數(shù)據的輸入和輸出，基本單位為字節(jié)；字符設備。用于數(shù)據的輸入和輸出，基本單

3、位為字節(jié)；3)按設備的共享屬性分類按設備的共享屬性分類a)獨占設備。在一段時間內只允許一個用戶訪問的設備；獨占設備。在一段時間內只允許一個用戶訪問的設備；b)共享設備。一段時間內允許多個用戶同時訪問的設備；共享設備。一段時間內允許多個用戶同時訪問的設備；c)虛擬設備。用虛擬技術將獨占設備變換為共享設備；虛擬設備。用虛擬技術將獨占設備變換為共享設備； 二、設備與控制器之間接口的信號二、設備與控制器之間接口的信號 1 1)數(shù)據信號數(shù)據信號對輸入而言是設備發(fā)送給控制器的，對輸對輸入而言是設備發(fā)送給控制器的，對輸出而言是控制器所接收的比特流；出而言是控制器所接收的比特流； 2) 2)控制信號控制信號由

4、控制器發(fā)送給設備的控制讀由控制器發(fā)送給設備的控制讀/ /寫、執(zhí)行；寫、執(zhí)行； 3)3)狀態(tài)信號狀態(tài)信號指示設備當前狀態(tài)；指示設備當前狀態(tài)； 6 6、1 1、3 3 設備控制器設備控制器 一、設備控制器的功能：一、設備控制器的功能： 1) 1)接收和識別命令接收和識別命令用控制寄存器接收命令并進行譯碼用控制寄存器接收命令并進行譯碼 2) 2)數(shù)據交換數(shù)據交換實現(xiàn)實現(xiàn)CPUCPU與控制器之間、控制器與設備之與控制器之間、控制器與設備之間的數(shù)據交換；間的數(shù)據交換； 3)3)設備狀態(tài)的了解和報告設備狀態(tài)的了解和報告其中的狀態(tài)寄存器將記錄設其中的狀態(tài)寄存器將記錄設備的當前狀態(tài)；備的當前狀態(tài)； 4) 4)

5、地址識別地址識別系統(tǒng)中的每一設備都有一個固定地址，設系統(tǒng)中的每一設備都有一個固定地址，設備控制器應能識別它所控制的每個設備的地址；備控制器應能識別它所控制的每個設備的地址； 二、設備控制器的組成：二、設備控制器的組成： 1) 1)控制器與控制器與CPUCPU的接口的接口用于用于CPU CPU 與控制器通信與控制器通信 共有三類信號線：數(shù)據線、地址線、控制線共有三類信號線：數(shù)據線、地址線、控制線 2) 2)控制器與設備的接口控制器與設備的接口通常有多個設備接口；通常有多個設備接口； 3)I/O3)I/O邏輯邏輯用于實現(xiàn)對設備的控制用于實現(xiàn)對設備的控制 I/O邏輯邏輯控制器控制器與設備與設備接口接

6、口1控制器控制器與設備與設備接口接口i數(shù)據寄存器數(shù)據寄存器控制控制/狀態(tài)狀態(tài)寄存器寄存器數(shù)據線數(shù)據線地址線地址線 控制線控制線數(shù)據數(shù)據 狀態(tài)狀態(tài) 控制控制數(shù)據數(shù)據 狀態(tài)狀態(tài) 控制控制CPU與控制器接口與控制器接口控制器與設備接口控制器與設備接口 6 6、1 1、4 I/O4 I/O通道通道 I/OI/O通道是一種特殊的處理機，它具有執(zhí)行通道是一種特殊的處理機，它具有執(zhí)行I/OI/O指令的能力，并通過執(zhí)行指令的能力，并通過執(zhí)行(I/O)(I/O)程序來控制程序來控制I/OI/O操操作。作。 一、通道類型一、通道類型 1) 1) 字節(jié)多路通道字節(jié)多路通道通道中含有許多非分配型子通道，每通道中含有許

7、多非分配型子通道，每個子通道連接一臺個子通道連接一臺I/OI/O設備，以字節(jié)為單位按時間片方設備，以字節(jié)為單位按時間片方式共享主通道；（適于連接低速設備）式共享主通道；（適于連接低速設備） 2) 2) 數(shù)組選擇通道數(shù)組選擇通道按數(shù)組方式進行數(shù)據傳送，它只包含按數(shù)組方式進行數(shù)據傳送，它只包含一個分配型子通道，一段時間內控制一臺設備進行數(shù)據一個分配型子通道，一段時間內控制一臺設備進行數(shù)據傳送，故利用率不高；（適于連接高速設備）傳送，故利用率不高；（適于連接高速設備） 3)3)數(shù)組多路通道數(shù)組多路通道將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道（設備）分時并行操

8、作的特點相結路通道能使各子通道（設備）分時并行操作的特點相結合，而形成的一種新通道。合，而形成的一種新通道。 二、二、“瓶頸瓶頸”問題：問題： 由于通道價格較貴，系統(tǒng)中配置數(shù)量少，而造成整個系由于通道價格較貴，系統(tǒng)中配置數(shù)量少，而造成整個系統(tǒng)吞吐量的下降。統(tǒng)吞吐量的下降。存儲器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設備1設備2設備3設備4設備5設備6設備7存儲器通道1通道2I/O設備控制器1控制器2I/O設備I/O設備I/O設備單通路單通路I/O系統(tǒng)：系統(tǒng)：多通路I/O系統(tǒng)：6 6、2 I/O2 I/O控制方式控制方式 6、2、1 程序控制方式程序控制方式 在早期系統(tǒng)中由于無中斷機構，處

9、理機對在早期系統(tǒng)中由于無中斷機構，處理機對I/OI/O設備的控設備的控制采取程序制采取程序I/OI/O方式：處理機向控制器發(fā)出一條方式：處理機向控制器發(fā)出一條I/OI/O指令指令啟動輸入設備、輸入數(shù)據時，要同時把狀態(tài)寄存器中的啟動輸入設備、輸入數(shù)據時，要同時把狀態(tài)寄存器中的忙忙/ /閑標志閑標志busybusy置為置為“1”1”，然后便不斷循環(huán)檢測，然后便不斷循環(huán)檢測busybusy。向向I/O控制器控制器發(fā)出命令發(fā)出命令讀讀I/O控制器控制器的狀態(tài)的狀態(tài)向存儲器向存儲器中寫字中寫字從從I/O控制器控制器中讀入字中讀入字檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)？傳送完成？傳送完成？未就緒 出錯 下條指令CPU-I/O

10、I/O-CPU就緒就緒I/O-CPUCPU-內存內存未完完成 6、2、2 中斷驅動中斷驅動I/OI/O方式方式 當某進程要啟動某個當某進程要啟動某個I/OI/O設備工作時，便由設備工作時，便由CPUCPU向相應向相應的設備控制器發(fā)出一條的設備控制器發(fā)出一條I/OI/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務。設備控制器按照該命令的要求去控制行原來的任務。設備控制器按照該命令的要求去控制I/OI/O設備，此時，設備，此時，CPU CPU 與與I/O I/O 設備并行操作。設備并行操作。向向I/O控制器控制器發(fā)讀命令發(fā)讀命令讀讀I/O控制器控制器的狀態(tài)的狀態(tài)檢查狀態(tài)？檢查狀態(tài)？

11、向內存中向內存中寫字寫字從從I/O控制器控制器中讀字中讀字傳送完成？傳送完成？CPU-I/OCPU做其它做其它事事中斷中斷I/O-CPU出錯就緒就緒I/O-CPUCPU-內存內存未完完成下條指令 6、2、3 直接內存訪問直接內存訪問DMADMA控制方式控制方式 一、一、DMADMA控制方式的引入：控制方式的引入： 為進一步減少為進一步減少CPUCPU對對I/OI/O的干預而引入此方式，其特點是的干預而引入此方式，其特點是 1 1）數(shù)據傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據塊；）數(shù)據傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據塊； 2 2）所傳輸?shù)臄?shù)據是從設備直接送入內存的）所傳輸?shù)臄?shù)據是從設備直接送入內存的( (或相反或相反) )；

12、3 3）僅在傳送一個或多個數(shù)據塊的開始和結束時，）僅在傳送一個或多個數(shù)據塊的開始和結束時，CPUCPU才干預，整塊數(shù)據的傳送是在控制器的控制下完成的。才干預，整塊數(shù)據的傳送是在控制器的控制下完成的。 二、二、DMADMA控制器的組成：控制器的組成： 1 1）主機與）主機與DMADMA控制器的接口；控制器的接口； 2 2）DMADMA控制器與塊設備的接口；控制器與塊設備的接口； 3 3）I/OI/O控制邏輯；控制邏輯； 為了實現(xiàn)控制器與主機之間成塊數(shù)據的直接交換，必為了實現(xiàn)控制器與主機之間成塊數(shù)據的直接交換，必須在須在DMADMA控制器中設置四類控制器中設置四類 寄存器。寄存器。 1）命令）命令

13、/狀態(tài)寄存器狀態(tài)寄存器接收從接收從CPUCPU發(fā)來的發(fā)來的I/OI/O命令、控制命令、控制信息或設備的狀態(tài)；信息或設備的狀態(tài)； 2 2）內存地址寄存器）內存地址寄存器MARMAR存放數(shù)據從設備到內存的目存放數(shù)據從設備到內存的目標地址，或由內存到設備的內存源地址；標地址，或由內存到設備的內存源地址； 3 3）數(shù)據寄存器）數(shù)據寄存器DRDR暫存從設備到內存或從內存到設備暫存從設備到內存或從內存到設備的數(shù)據；的數(shù)據； 4 4）數(shù)據計數(shù)器）數(shù)據計數(shù)器DCDC存放本次存放本次CPUCPU要讀或寫的字節(jié)數(shù)；要讀或寫的字節(jié)數(shù)； coutDRDCCRMARI/O控制邏輯CPU內存內存主機控制器接口主機控制器接

14、口控制器塊設備接口控制器塊設備接口DMA控制器系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線命令命令DMA控制器的組成：控制器的組成： 6、2、4 I/O I/O通道控制方式通道控制方式 一、通道控制方式的引入一、通道控制方式的引入 DMADMA方式雖然已顯著地減少了方式雖然已顯著地減少了CPUCPU的干預，但的干預，但CPUCPU每發(fā)出一條每發(fā)出一條I/OI/O指令，只能去讀（寫）一個數(shù)據塊。通指令，只能去讀（寫）一個數(shù)據塊。通道是道是DMADMA方式的發(fā)展，以讀（寫）一組數(shù)據塊為控制和方式的發(fā)展，以讀（寫）一組數(shù)據塊為控制和管理的單位，同時，實現(xiàn)了管理的單位，同時，實現(xiàn)了CPUCPU、通道、通道、I/OI/O設備三者的

15、設備三者的并行工作。并行工作。 二、通道程序二、通道程序 通道是通過執(zhí)行通道指令與控制器一起共同實現(xiàn)對通道是通過執(zhí)行通道指令與控制器一起共同實現(xiàn)對I/OI/O設備的控制的。每條指令包括下列信息：設備的控制的。每條指令包括下列信息： 1 1）操作碼）操作碼規(guī)定指令所執(zhí)行的操作；規(guī)定指令所執(zhí)行的操作； 2 2）內存地址）內存地址標明讀標明讀/ /寫操作時的內存首址；寫操作時的內存首址； 3 3）計數(shù)）計數(shù)表示本條指令所要讀（寫）數(shù)據的字節(jié)數(shù)；表示本條指令所要讀（寫）數(shù)據的字節(jié)數(shù)； 4 4）通道程序結束位）通道程序結束位P P表示通道程序是否結束表示通道程序是否結束(P(P1 1）; ; 5) 5)

16、記錄結束標志記錄結束標志R RR=1R=1表示處理某記錄是最后一條指令表示處理某記錄是最后一條指令6、3 設備分配設備分配 6、3、1 設備分配中的數(shù)據結構設備分配中的數(shù)據結構 設備分配時通常都需要借助于一些表格設備分配時通常都需要借助于一些表格 一、設備控制表一、設備控制表DCT 1）設備隊列隊首指針）設備隊列隊首指針指向等待設備之指向等待設備之PCBPCB隊列隊首隊列隊首; ; 2 2）設備狀態(tài)）設備狀態(tài)指出當前該設備所處的狀態(tài)；指出當前該設備所處的狀態(tài)； 3 3）與設備連接的控制器表指針；）與設備連接的控制器表指針； 4 4）重復執(zhí)行次數(shù)）重復執(zhí)行次數(shù)系統(tǒng)允許傳送錯誤的重復上限；系統(tǒng)允許

17、傳送錯誤的重復上限； 二、控制器表、通道表、系統(tǒng)設備表二、控制器表、通道表、系統(tǒng)設備表 1 1）控制器控制表）控制器控制表COCTCOCT用于記錄控制器情況；用于記錄控制器情況； 2 2）通道控制表）通道控制表CHCTCHCT每個通道一張記錄該通道情況每個通道一張記錄該通道情況 3 3）系統(tǒng)設備表）系統(tǒng)設備表SDTSDT記錄了系統(tǒng)中全部設備的情況，記錄了系統(tǒng)中全部設備的情況，每個設備占一個表目，包括設備類型、設備標識、設備每個設備占一個表目，包括設備類型、設備標識、設備控制表及設備驅動程序的入口等；控制表及設備驅動程序的入口等； 6、4、2 設備分配時應考慮的若干因素設備分配時應考慮的若干因素

18、 一、設備的固有屬性一、設備的固有屬性 獨享設備獨享設備采用將設備分配給某進程后，直至該進程釋采用將設備分配給某進程后，直至該進程釋放，由其獨占的分配策略；放，由其獨占的分配策略； 共享設備共享設備在同時分配給多進程時需進行合理調度；在同時分配給多進程時需進行合理調度； 虛擬設備虛擬設備經技術處理這類獨占設備已改造為共享設備經技術處理這類獨占設備已改造為共享設備 二、設備分配算法二、設備分配算法 先來先服務先來先服務根據進程對某設備提出請求的先后順序；根據進程對某設備提出請求的先后順序； 優(yōu)先級高者優(yōu)先優(yōu)先級高者優(yōu)先優(yōu)先權高的進程既可優(yōu)先獲得處理機；優(yōu)先權高的進程既可優(yōu)先獲得處理機；也可將優(yōu)先

19、級高的進程排在設備隊列前面；也可將優(yōu)先級高的進程排在設備隊列前面； 三、設備分配中的安全性三、設備分配中的安全性 1 1）安全分配方式）安全分配方式當進程發(fā)出當進程發(fā)出I/OI/O請求后，便進入阻塞請求后，便進入阻塞狀態(tài)，直到其狀態(tài)，直到其I/OI/O操作完成后才被喚醒；操作完成后才被喚醒； 2 2）不安全分配方式）不安全分配方式進程發(fā)出進程發(fā)出I/OI/O請求后仍繼續(xù)運行，請求后仍繼續(xù)運行，僅當進程所請求的設備已被另一進程占用時才被阻塞；僅當進程所請求的設備已被另一進程占用時才被阻塞； 6、4、3 設備獨立性設備獨立性 一、基本概念一、基本概念 設備獨立性即設備無關性：應用程序獨立于具體設備

20、獨立性即設備無關性：應用程序獨立于具體使用的物理設備，而用邏輯設備名來請求某類物使用的物理設備，而用邏輯設備名來請求某類物理設備，而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，是使用物理設備理設備，而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，是使用物理設備名稱。名稱。 優(yōu)點：優(yōu)點： 1）設備分配時的靈活性）設備分配時的靈活性不會由于請求某一具不會由于請求某一具體物理設備不能被滿足而造成進程不必要的阻塞。體物理設備不能被滿足而造成進程不必要的阻塞。因為，只要同類設備具有相同的邏輯設備名，進因為，只要同類設備具有相同的邏輯設備名，進程所申請的設備中有一個可以滿足即可；程所申請的設備中有一個可以滿足即可； 2 2）易于實現(xiàn)）易于實現(xiàn)I/OI/O重定

21、向重定向I/OI/O重定向指用于重定向指用于I/OI/O操操作的設備可以更換。作的設備可以更換。 二、設備獨立性軟件二、設備獨立性軟件 為實現(xiàn)設備獨立性必須在驅動程序上設置一層軟件，其為實現(xiàn)設備獨立性必須在驅動程序上設置一層軟件，其主要功能分為兩方面：主要功能分為兩方面： 1）執(zhí)行所有設備的公有操作。）執(zhí)行所有設備的公有操作。 （1）獨占設備的分配與回收；）獨占設備的分配與回收； （2）將邏輯設備名映射為物理設備名；）將邏輯設備名映射為物理設備名； （3）對設備進行保護，禁止用戶直接訪問設備；）對設備進行保護，禁止用戶直接訪問設備； （4）緩沖管理，提高）緩沖管理，提高I/O效率；效率； （5

22、）差錯控制：處理設備驅動程序無法處理的錯誤；）差錯控制：處理設備驅動程序無法處理的錯誤； 2）向用戶層軟件提供統(tǒng)一的接口。）向用戶層軟件提供統(tǒng)一的接口。 三、借助于邏輯設備表（三、借助于邏輯設備表（LUT）實現(xiàn)設備名映射）實現(xiàn)設備名映射邏輯設備名物理設備名驅動入口/dev/tty31024/dev/print52046邏輯設備名系統(tǒng)設備表指針/dev/tty3/dev/printer5 6、4、4 SPOOLing SPOOLing技術技術 該技術用于將一臺獨占設備改造成共享設備（假脫機）該技術用于將一臺獨占設備改造成共享設備（假脫機） 一、一、SPOOLingSPOOLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的

23、組成 1 1）輸入井和輸出井）輸入井和輸出井收容收容I/OI/O設備輸入的數(shù)據和用戶程設備輸入的數(shù)據和用戶程序輸出的數(shù)據；序輸出的數(shù)據； 2 2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)內存中開辟的暫存區(qū)；內存中開辟的暫存區(qū)； 3 3）輸入進程）輸入進程SPiSPi和輸出進程和輸出進程SPoSPo模擬脫機輸入輸出時模擬脫機輸入輸出時的外圍控制機；的外圍控制機； 4 4）請求打印隊列）請求打印隊列若干張請求打印表所形成的隊列；若干張請求打印表所形成的隊列； 二、二、SPOOLingSPOOLing系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 1 1）提高了）提高了I/OI/O速度；速度； 2 2）將獨占設備改造為共享設備；）將獨占設備改造為共享設備； 3 3）實現(xiàn)了虛擬設備功能；）實現(xiàn)了虛擬設備功能；6、5 設備處理設備處理 6、5、1 設備驅動程序的功能和特點設備驅動程序的功能和特點 一、功能：一、功能：1 1）將接收到的抽象要求轉換為具體要求；）將