第六節(jié)設(shè)備管理

1、第六節(jié) 設(shè)備(shbi)管理共二十頁6、1 I/O系統(tǒng)(xtng)的組成設(shè)備(shbi)管理所管理的資源是除了CPU、內(nèi)存儲器以外的所有輸入、輸出設(shè)備(shbi)，其中也包括設(shè)備(shbi)控制器和通道。6、1、1 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)一、微型機(jī)I/O系統(tǒng)：二、主機(jī)I/O系統(tǒng)：CPU存儲器磁盤控制器打印機(jī)控制器其它控制器磁盤驅(qū)動器打印機(jī)系統(tǒng)總線總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)通道2通道1控制器控制器控制器控制器設(shè)備設(shè)備具有通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)共二十頁6、1、2 I/O設(shè)備一、I/O設(shè)備的類型1)按傳輸速率分類(fn li)：a) 低速設(shè)備。 幾個字節(jié)數(shù)百字節(jié)/s，如鍵盤、鼠標(biāo)；b) 中速設(shè)備。數(shù)千字節(jié)數(shù)

2、十千字節(jié)/s,如行式打印機(jī)；c) 高速設(shè)備。數(shù)百千字節(jié)數(shù)兆字節(jié)/s,如磁帶機(jī)、光盤；2)按信息交換單位分類：a) 塊設(shè)備。信息的存取以數(shù)據(jù)塊為單位；b) 字符設(shè)備。用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，基本單位為字節(jié)；3)按設(shè)備的共享屬性分類a)獨(dú)占設(shè)備。在一段時間內(nèi)只允許一個用戶訪問的設(shè)備；b)共享設(shè)備。一段時間內(nèi)允許多個用戶同時訪問的設(shè)備；c)虛擬設(shè)備。用虛擬技術(shù)將獨(dú)占設(shè)備變換為共享設(shè)備；共二十頁二、設(shè)備與控制器之間接口的信號1)數(shù)據(jù)信號對輸入而言是設(shè)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；2)控制信號由控制器發(fā)送給設(shè)備的控制讀/寫、執(zhí)行；3)狀態(tài)信號指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)；6、1、3 設(shè)備控制器一

3、、設(shè)備控制器的功能：1)接收和識別命令用控制寄存器接收命令并進(jìn)行譯碼2)數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)CPU與控制器之間、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；3)設(shè)備狀態(tài)的了解和報(bào)告其中的狀態(tài)寄存器將記錄(jl)設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)；4)地址識別系統(tǒng)中的每一設(shè)備都有一個固定地址，設(shè)備控制器應(yīng)能識別它所控制的每個設(shè)備的地址；共二十頁二、設(shè)備控制器的組成：1)控制器與CPU的接口用于CPU 與控制器通信(tng xn) 共有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線2)控制器與設(shè)備的接口通常有多個設(shè)備接口；3)I/O邏輯用于實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的控制 I/O邏輯(lu j)控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線地址線

4、 控制線數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制數(shù)據(jù) 狀態(tài) 控制CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口共二十頁6、1、4 I/O通道I/O通道是一種特殊的處理機(jī)，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行(I/O)程序來控制I/O操作。一、通道類型1) 字節(jié)多路通道通道中含有許多非分配型子通道，每個子通道連接(linji)一臺I/O設(shè)備，以字節(jié)為單位按時間片方式共享主通道；（適于連接(linji)低速設(shè)備）2) 數(shù)組選擇通道按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，它只包含一個分配型子通道，一段時間內(nèi)控制一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，故利用率不高；（適于連接高速設(shè)備）3)數(shù)組多路通道將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道（設(shè)備）分時并行操

5、作的特點(diǎn)相結(jié)合，而形成的一種新通道。共二十頁二、“瓶頸”問題：由于通道價(jià)格較貴，系統(tǒng)中配置數(shù)量少，而造成(zo chn)整個系統(tǒng)吞吐量的下降。存儲器通道(tngdo)1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7存儲器通道1通道2I/O設(shè)備控制器1控制器2I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備單通路I/O系統(tǒng)：多通路I/O系統(tǒng)：共二十頁6、2 I/O控制(kngzh)方式6、2、1 程序控制方式(fngsh) 在早期系統(tǒng)中由于無中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)對I/O設(shè)備的控制采取程序I/O方式：處理機(jī)向控制器發(fā)出一條I/O指令啟動輸入設(shè)備、輸入數(shù)據(jù)時，要同時把狀態(tài)寄存器中的忙/閑

6、標(biāo)志busy置為“1”，然后便不斷循環(huán)檢測busy。向I/O控制器發(fā)出命令讀I/O控制器的狀態(tài)向存儲器中寫字從I/O控制器中讀入字檢查狀態(tài)？傳送完成？未就緒 出錯 下條指令CPU-I/OI/O-CPU就緒I/O-CPUCPU-內(nèi)存未完完成共二十頁6、2、2 中斷驅(qū)動I/O方式 當(dāng)某進(jìn)程要啟動某個I/O設(shè)備工作時，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回(fnhu)繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。設(shè)備控制器按照該命令的要求去控制I/O設(shè)備，此時，CPU 與I/O 設(shè)備并行操作。向I/O控制器發(fā)讀命令(mng lng)讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？向內(nèi)存中寫字從I/O控制器中讀字傳送完成？

7、CPU-I/OCPU做其它事中斷I/O-CPU出錯就緒I/O-CPUCPU-內(nèi)存未完完成下條指令共二十頁6、2、3 直接內(nèi)存訪問DMA控制方式一、DMA控制方式的引入：為進(jìn)一步減少CPU對I/O的干預(yù)而引入此方式，其特點(diǎn)是1）數(shù)據(jù)(shj)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)(shj)塊；2）所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的(或相反)；3）僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，CPU才干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。二、DMA控制器的組成：1）主機(jī)與DMA控制器的接口；2）DMA控制器與塊設(shè)備的接口；3）I/O控制邏輯； 為了實(shí)現(xiàn)控制器與主機(jī)之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須在DMA控制器中設(shè)置四

8、類 寄存器。共二十頁1）命令/狀態(tài)寄存器接收從CPU發(fā)來的I/O命令、控制信息或設(shè)備的狀態(tài)；2）內(nèi)存地址寄存器MAR存放數(shù)據(jù)從設(shè)備到內(nèi)存的目標(biāo)地址，或由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址；3）數(shù)據(jù)(shj)寄存器DR暫存從設(shè)備到內(nèi)存或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)(shj)；4）數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC存放本次CPU要讀或?qū)懙淖止?jié)數(shù)； coutDRDCCRMARI/O控制邏輯CPU內(nèi)存(ni cn)主機(jī)控制器接口控制器塊設(shè)備接口DMA控制器系統(tǒng)總線命令DMA控制器的組成：共二十頁6、2、4 I/O通道控制方式一、通道控制方式的引入 DMA方式雖然已顯著地減少了CPU的干預(yù)，但CPU每發(fā)出一條I/O指令，只能去讀（寫）一個數(shù)據(jù)塊

9、。通道是DMA方式的發(fā)展，以讀（寫）一組數(shù)據(jù)塊為控制和管理的單位，同時，實(shí)現(xiàn)了CPU、通道、I/O設(shè)備三者的并行工作。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(shí)現(xiàn)對I/O設(shè)備的控制的。每條指令包括下列(xili)信息：1）操作碼規(guī)定指令所執(zhí)行的操作；2）內(nèi)存地址標(biāo)明讀/寫操作時的內(nèi)存首址；3）計(jì)數(shù)表示本條指令所要讀（寫）數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；4）通道程序結(jié)束位P表示通道程序是否結(jié)束(P1）;5)記錄結(jié)束標(biāo)志RR=1表示處理某記錄是最后一條指令共二十頁6、3 設(shè)備(shbi)分配6、3、1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配時通常都需要借助于一些表格一、設(shè)備控制表DCT1）設(shè)備隊(duì)列隊(duì)首指針指向等待設(shè)

10、備之PCB隊(duì)列隊(duì)首;2）設(shè)備狀態(tài)指出當(dāng)前該設(shè)備所處的狀態(tài)；3）與設(shè)備連接的控制器表指針；4）重復(fù)執(zhí)行次數(shù)系統(tǒng)允許傳送錯誤的重復(fù)上限；二、控制器表、通道表、系統(tǒng)設(shè)備表1）控制器控制表COCT用于記錄(jl)控制器情況；2）通道控制表CHCT每個通道一張記錄該通道情況3）系統(tǒng)設(shè)備表SDT記錄了系統(tǒng)中全部設(shè)備的情況，每個設(shè)備占一個表目，包括設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識、設(shè)備控制表及設(shè)備驅(qū)動程序的入口等；共二十頁6、4、2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的若干因素一、設(shè)備的固有屬性獨(dú)享設(shè)備采用將設(shè)備分配給某進(jìn)程后，直至該進(jìn)程釋放，由其獨(dú)占的分配策略；共享設(shè)備在同時分配給多進(jìn)程時需進(jìn)行合理調(diào)度；虛擬設(shè)備經(jīng)技術(shù)處理這類獨(dú)占設(shè)備已

11、改造為共享設(shè)備二、設(shè)備分配算法先來先服務(wù)根據(jù)(gnj)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后順序；優(yōu)先級高者優(yōu)先優(yōu)先權(quán)高的進(jìn)程既可優(yōu)先獲得處理機(jī)；也可將優(yōu)先級高的進(jìn)程排在設(shè)備隊(duì)列前面；三、設(shè)備分配中的安全性1）安全分配方式當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其I/O操作完成后才被喚醒；2）不安全分配方式進(jìn)程發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運(yùn)行，僅當(dāng)進(jìn)程所請求的設(shè)備已被另一進(jìn)程占用時才被阻塞；共二十頁6、4、3 設(shè)備獨(dú)立性一、基本概念設(shè)備獨(dú)立性即設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，而用邏輯設(shè)備名來請求某類物理設(shè)備，而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時，是使用物理設(shè)備名稱。優(yōu)點(diǎn)：1）設(shè)備分配時的靈活性不會由于請求某一具

12、體物理設(shè)備不能被滿足而造成進(jìn)程不必要的阻塞。因?yàn)椋灰愒O(shè)備具有(jyu)相同的邏輯設(shè)備名，進(jìn)程所申請的設(shè)備中有一個可以滿足即可；2）易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向I/O重定向指用于I/O操作的設(shè)備可以更換。共二十頁二、設(shè)備獨(dú)立性軟件為實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性必須在驅(qū)動程序上設(shè)置一層軟件，其主要功能分為兩方面：1）執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作。（1）獨(dú)占設(shè)備的分配與回收；（2）將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名；（3）對設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接(zhji)訪問設(shè)備；（4）緩沖管理，提高I/O效率；（5）差錯控制：處理設(shè)備驅(qū)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。三、借助于邏輯設(shè)備表（LUT）實(shí)現(xiàn)設(shè)備名映射邏

13、輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動入口/dev/tty31024/dev/print52046邏輯設(shè)備名系統(tǒng)設(shè)備表指針/dev/tty3/dev/printer5共二十頁6、4、4 SPOOLing技術(shù)該技術(shù)用于將一臺獨(dú)占設(shè)備改造成共享設(shè)備（假脫機(jī)）一、SPOOLing系統(tǒng)的組成1）輸入井和輸出井收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)和用戶程序輸出的數(shù)據(jù)；2）輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)內(nèi)存中開辟的暫存區(qū)；3）輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo模擬脫機(jī)輸入輸出時的外圍控制機(jī)；4）請求打印隊(duì)列若干張請求打印表所形成的隊(duì)列；二、SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)1）提高了I/O速度(sd)；2）將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備；3）實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功

14、能；共二十頁6、5 設(shè)備(shbi)處理6、5、1 設(shè)備驅(qū)動程序的功能和特點(diǎn)一、功能：1）將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求； 2）檢查用戶I/O 請求的合法性； 3）發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設(shè)備； 4)及時響應(yīng)由通道或控制器發(fā)來的中斷請求 5）根據(jù)用戶的I/O請求，自動構(gòu)成通道程序二、處理方式：1）為每類 設(shè)備設(shè)置(shzh)一個進(jìn)程； 2）在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進(jìn)程； 3）不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程；三、特點(diǎn)：1）通信作用：記錄設(shè)備狀態(tài)，反映I/O操作 2）與I/O設(shè)備的特性緊密相關(guān)； 3）與I/O控制方式緊密相關(guān)； 4）與硬件緊密相關(guān)；共二十頁6、5、2 設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程1）將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求；2）檢查I/O請求的合法性；3）讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)；4）傳送必要的參數(shù)；5）方式的設(shè)置；6）啟動(qdng)I/O設(shè)備；6、5、3 中斷處理程序的處理過程1）喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進(jìn)程；2）保護(hù)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境；3）分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序；4）進(jìn)行中斷處理；5）恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場共二十頁內(nèi)容摘要第六節(jié) 設(shè)備管理。幾個字節(jié)數(shù)百字節(jié)/s，如鍵盤、鼠標(biāo)。數(shù)千字節(jié)數(shù)十千字節(jié)/s,如行式打印機(jī)。數(shù)百千字節(jié)數(shù)兆字節(jié)/s,如磁帶機(jī)、光盤。2)控制信號由控制器發(fā)送給