華東理工大學(xué)《操作系統(tǒng)》第九章設(shè)備管理

第九章設(shè)備管理

9.1概述(ɡàishù)

9.2數(shù)據(jù)傳送控制方式

9.3中斷技術(shù)

9.4緩沖技術(shù)

9.5設(shè)備分配

精品資料19.1概述I/O的特點(diǎn)1.I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸 (1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能 響應(yīng)時(shí)間也是一個(gè)重要因素 (2)CPU性能越高，與I/O差距越大 彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程(jìnchéng) (3)進(jìn)程(jìnchéng)切換多，系統(tǒng)開銷大精品資料22.操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：資源多、雜，并發(fā)(bìngfā)，均來自I/O外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同速度差異很大3.理解I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵精品資料3設(shè)備(shèbèi)的分類1.按使用特性分存儲型設(shè)備(shèbèi)輸入型設(shè)備(shèbèi)（外設(shè)主機(jī)）輸出型設(shè)備(shèbèi)（主機(jī)外設(shè)）輸入輸出型設(shè)備(shèbèi)（交互型設(shè)備(shèbèi)）精品資料42.按數(shù)據(jù)組織分塊設(shè)備以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息(xìnxī)如磁盤，磁帶字符設(shè)備以字符為單位存儲、傳輸信息(xìnxī)如鍵盤，打印機(jī)精品資料53.按外部設(shè)備(shèbèi)的從屬關(guān)系分系統(tǒng)設(shè)備(shèbèi)指操作系統(tǒng)生成時(shí)，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(shèbèi)（如終端、磁盤機(jī)等）用戶設(shè)備指在系統(tǒng)生成時(shí)，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。對于(duìyú)這類設(shè)備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)代替用戶實(shí)施管理。（如A/D，D/A轉(zhuǎn)換器，CAD所用專用設(shè)備）精品資料64.按資源分配角度分獨(dú)占設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只能有一個(gè)進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。（如打印機(jī)，磁帶等）共享設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)可有多個(gè)(duōɡè)進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個(gè)(duōɡè)進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（如硬盤）精品資料7虛設(shè)備通過虛擬技術(shù)在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備，常用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，將一個(gè)獨(dú)占設(shè)備變換為基若干臺邏輯設(shè)備，供多個(gè)用戶(yònghù)可同時(shí)使用，被模擬的設(shè)備稱為虛設(shè)備目的：提高設(shè)備的利用率精品資料8設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)按照用戶的請求，控制設(shè)備的各種操作，完成I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換2.保證在多道程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競爭使用設(shè)備時(shí)，按一定策略(cèlüè)分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作精品資料93.向用戶提供使用(shǐyòng)外部設(shè)備的方便接口，使用(shǐyòng)戶擺脫繁瑣的編程負(fù)擔(dān)方便性友好界面透明性用戶能屏蔽硬件細(xì)節(jié)而方便的使用(shǐyòng)設(shè)備，用戶申請使用(shǐyòng)設(shè)備時(shí)，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個(gè)空閑設(shè)備，并將其分配給一個(gè)申請進(jìn)程精品資料104.充分利用各種技術(shù)（通道(tōngdào)，中斷，緩沖等）提高CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率并行性均衡性（使設(shè)備充分忙碌）5.保護(hù)設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是安全的、不被破壞的、保密的精品資料119.2數(shù)據(jù)傳送控制方式I／O設(shè)備組成I／O設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設(shè)計(jì)1.物理設(shè)備機(jī)械部分是設(shè)備本身（物理裝置）2.設(shè)備控制器電子部分叫做設(shè)備控制器或適配器。完成設(shè)備與主機(jī)(zhǔjī)間的連接和通訊精品資料12

CPU外部設(shè)備控制邏輯電路控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器設(shè)備(shèbèi)控制器控制器和設(shè)備之間的接口(jiēkǒu)有三種類型的信號：1)數(shù)據(jù)信號：對輸入而言，設(shè)備發(fā)送給設(shè)備控制器；對輸出，則方向相反2)控制信號：設(shè)備控制器發(fā)送給設(shè)備的，規(guī)定設(shè)備執(zhí)行的操作(讀、寫及其它如移動磁頭的信號)3)狀態(tài)信號：指示設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)(讀、寫、讀完成及寫完成)精品資料13

外設(shè)與內(nèi)存之間常用(chánɡyònɡ)的數(shù)據(jù)傳送控制方式：程序I/O(直接控制)方式中斷I/O方式DMA方式通道方式精品資料149.2.1循環(huán)I/O測試(cèshì)方式循環(huán)I/O測試方式又稱為程序查詢(cháxún)方式。完全用程序直接控制數(shù)據(jù)在CPU和外部設(shè)備之間的傳輸，即由CPU主動控制完成。當(dāng)用戶程序需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過CPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，同時(shí)把狀態(tài)寄存器中的忙/閑標(biāo)志busy置為1，Busy=1表輸入機(jī)尚未輸完到數(shù)據(jù)寄存器中。爾后CPU不斷循環(huán)測試busy,直至busy=0.CPU將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存指定單元中。接著，再啟動去讀下一個(gè)數(shù)據(jù)，并置busy=1.又稱忙-等待方式程序i/o指令啟動外設(shè)測試指令外設(shè)i/o完成了嗎？精品資料15缺點(diǎn)：(無中斷機(jī)構(gòu))1、CPU高速性與I/O設(shè)備的低速性，造成CPU的極大浪費(fèi)(làngfèi)。2、不具有并行工作能力只適用于CPU速度慢，且外設(shè)較少的系統(tǒng)精品資料169.2.2程序中斷(zhōngduàn)控制方式1.程序中斷(zhōngduàn)方式

在硬件結(jié)構(gòu)上，程序中斷方式要求CPU與I/O設(shè)備（或接口）之間有相應(yīng)的中斷請求線.當(dāng)用戶程序需要數(shù)據(jù)時(shí)，通過CPU向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)其他的任務(wù)。CPU和I/O并行操作。直到數(shù)據(jù)寄存器裝滿數(shù)據(jù)；發(fā)出中斷，取出數(shù)據(jù)到內(nèi)存。重復(fù)以上過程，直至數(shù)據(jù)傳輸完成。精品資料17進(jìn)程A程序I/O請求CPU執(zhí)行I/O中斷處理程序－－－－－－－－－－－－－－－－－外設(shè)CPU指令啟動外設(shè)進(jìn)程B程序--------------------12返回用戶進(jìn)程I/O中斷請求返回程序中斷方式35CPU響應(yīng)中斷4精品資料182.程序中斷(zhōngduàn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)：一般數(shù)據(jù)緩沖寄存較小，一次數(shù)據(jù)傳輸多次中斷。使得CPU忙于處理(chǔlǐ)中斷，耗費(fèi)了大量的時(shí)間。多種外設(shè)，中斷次數(shù)劇增，造成中斷無法響應(yīng)而丟失數(shù)據(jù)。改善了CPU的利用率，并使輸入，輸出和處理這三者更好地并行操作。

優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：精品資料195.2.3直接(zhíjiē)存儲器存?。―MA）方式由于程序中斷的控制方式不適用于大批量數(shù)據(jù)傳送，所以在I/O系統(tǒng)中引入了直接存儲器存?。―MA：DirectMemoryAccess）方式，簡稱為DMA方式?；?jīběn)思想：在外設(shè)與內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。1．DMA控制器的組成（1）內(nèi)存地址寄存器用于存放內(nèi)存中要交換的數(shù)據(jù)地址。在DMA傳送前，通過程序?qū)?shù)據(jù)塊的初始地址送入該寄存器中，以后每交換一次數(shù)據(jù)，地址寄存器自動加1，形成下一次交換數(shù)據(jù)的地址。精品資料20精品資料21（2）傳送字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器用于存放傳送數(shù)據(jù)塊的長度。在DMA傳送前，通過程序設(shè)置。每傳送一個(gè)(yīɡè)字節(jié)，字節(jié)數(shù)計(jì)數(shù)器內(nèi)容自動減1，為0時(shí)表示此數(shù)據(jù)塊傳送完畢。（4）控制狀態(tài)寄存器該寄存器用于控制DMA的傳送，并對DMA請求信號和CPU響應(yīng)(xiǎngyìng)信號進(jìn)行協(xié)調(diào)和同步。（3）數(shù)據(jù)緩沖寄存器用于暫時(shí)存放每次傳送的數(shù)據(jù)。輸入時(shí)，數(shù)據(jù)由I/O設(shè)備傳送到該寄存器中，再通過數(shù)據(jù)總線傳入內(nèi)存。輸出時(shí)，則正好相反。

DMA方式實(shí)際上采用了竊取總線控制權(quán)的方式進(jìn)行傳送，CPU讓出總線控制權(quán)，不再訪問內(nèi)存，DMA控制器得到總線控制權(quán)來控制外設(shè)與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳送。精品資料222.DMA的傳送(chuánsònɡ)過程（1）進(jìn)程要求設(shè)備輸入輸出時(shí)，CPU執(zhí)行I/O指令，設(shè)置DMA控制器中的內(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器，并把狀態(tài)寄存器中的中斷允許(yǔnxǔ)位置1，啟動設(shè)備。設(shè)備在準(zhǔn)備好發(fā)送的數(shù)據(jù)后，DMA控制器發(fā)出DMA請求，申請內(nèi)存和總線的控制權(quán)。（2)CPU響應(yīng)DMA請求，讓出總線控制權(quán)。由DMA控制器得到內(nèi)存和總線控制權(quán)。（3)要求I/O的進(jìn)程進(jìn)入阻塞態(tài)，等待I/O完成。（4)DMA控制器按照地址寄存器中的數(shù)據(jù)內(nèi)存地址并通過數(shù)據(jù)緩沖寄存器，控制設(shè)備與內(nèi)存之間直接交換數(shù)據(jù)。直到所要求的一批數(shù)據(jù)傳送完成，發(fā)出中斷請求。（5)CPU接收DMA中斷請求，轉(zhuǎn)入中斷處理，處理完成后，恢復(fù)等待的I/O的進(jìn)程運(yùn)行，或者重新調(diào)度。精品資料23DMA方式與中斷方式的主要區(qū)別：中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進(jìn)行中斷處理DMA方式則是在所要求傳送(chuánsònɡ)的數(shù)據(jù)塊全部傳送(chuánsònɡ)結(jié)束時(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理，大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)中斷方式的數(shù)據(jù)傳送(chuánsònɡ)是由CPU控制完成的而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的。3．DMA方式(fāngshì)的優(yōu)缺點(diǎn)I/O設(shè)備在硬件控制交換數(shù)據(jù)，CPU基本上不干預(yù)數(shù)據(jù)的傳送操作，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了I/O效率。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：DMA方式竊取了總線控制權(quán)，使得CPU處理的效率下降。精品資料245.2.4通道的控制(kòngzhì)方式1.通道(tōngdào)結(jié)構(gòu)通道（channel）又稱為I/O處理器，是獨(dú)立于CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機(jī)，對外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與CPU并行操作。通道本身是一臺I/O處理器，它本身執(zhí)行的命令稱為通道命令字(CCW:ChannelCommandWord)，簡稱為CCW。2.通道的工作方式精品資料25CCW命令格式一般包括：操作碼、數(shù)據(jù)傳輸內(nèi)存地址、特征位、計(jì)數(shù)器(數(shù)據(jù)塊長度)例一個(gè)通道程序，從磁帶機(jī)上讀入兩條記錄，送入內(nèi)存相應(yīng)的單元(dānyuán)中。操作PR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write002501850Write11250720操作碼：規(guī)定了指令進(jìn)行的操作，讀、寫及控制(kòngzhì)內(nèi)存地址：標(biāo)明字符送入內(nèi)存(讀操作)或從內(nèi)存取出(寫操作)時(shí)的內(nèi)存首址。通道程序結(jié)束位P：表通道程序是否結(jié)束。1為最后一條指令記錄結(jié)束標(biāo)志位R：0表本指令與下一條通道指令所處理的數(shù)據(jù)同屬一個(gè)記錄。1表處理某記錄的最后一條指令。計(jì)數(shù)器：本條指令所操作數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)精品資料263.工作(gōngzuò)原理1)執(zhí)行用戶程序，當(dāng)遇到I/O請求時(shí)，可根據(jù)該請求生成通道程序放入內(nèi)存（也可事先編好放入內(nèi)存），CPU啟動通道工作;2)通道接收到“啟動I/O”指令后，取出第一條指令，同時(shí)向CPU發(fā)回答信號，使CPU可繼續(xù)執(zhí)行其他程序，則通道獨(dú)立(dúlì)于CPU工作,開始執(zhí)行通道程序，完成傳輸工作;3)當(dāng)通道傳輸完成最后一條指令時(shí)，向CPU發(fā)I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號，決定下一步做什么。精品資料27采用通道結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主機(jī)，通道，控制器和設(shè)備之間采用四級連接，實(shí)施三級控制。通常(tōngcháng)，一個(gè)主機(jī)可以連接多個(gè)通道，一個(gè)通道可以連接多個(gè)控制器，一個(gè)控制器又可以連接同類型的多臺設(shè)備。有的系統(tǒng)還可以把一臺設(shè)備連接到幾個(gè)控制器，一個(gè)控制器連接到幾個(gè)通道上，實(shí)現(xiàn)多路交叉連接。精品資料284通道(tōngdào)的類型（1）字節(jié)(zìjié)多路通道適用于連接慢速的字符設(shè)備，如打印機(jī)，終端等I/O設(shè)備。他以字節(jié)交叉方式控制設(shè)備傳輸信息，當(dāng)為一臺設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺設(shè)備傳送一個(gè)字節(jié)。（2）選擇通道

適用于連接高速I/O設(shè)備，如磁盤，磁帶。每次只能把通道

分配給一臺設(shè)備獨(dú)占使用，即使暫時(shí)出現(xiàn)空閑，也不允許其

他設(shè)備使用，直到傳送完成后才讓出子通道。（3）成組多路通道數(shù)據(jù)傳送是按成組（數(shù)據(jù)塊）方式進(jìn)行的，首先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道命令，傳送一批數(shù)據(jù)，然后再選擇另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道命令。

精品資料29通道(tōngdào)的類型成組多路通道快速設(shè)備1快速設(shè)備2快速設(shè)備3快速設(shè)備i選擇通道快速設(shè)備1快速設(shè)備2快速設(shè)備j慢速設(shè)備2慢速設(shè)備3字節(jié)多路通道以數(shù)據(jù)塊獨(dú)占方式控制設(shè)備慢速設(shè)備1以字節(jié)交叉方式控制設(shè)備傳輸信息1以數(shù)據(jù)塊分時(shí)方式控制設(shè)備傳輸信息32精品資料309.4緩沖技術(shù)1.緩沖技術(shù)的引入凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的I/O操作，以緩解CPU與外部設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率減少了I/O設(shè)備對處理器的中斷請求次數(shù)簡化了中斷機(jī)制(jīzhì),節(jié)省了系統(tǒng)開銷提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性精品資料312.緩沖區(qū)管理單緩沖:設(shè)備(shèbèi)與處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖器。雙緩沖：兩臺外設(shè)通信時(shí)，外設(shè)設(shè)置雙緩沖器多緩沖：多個(gè)緩沖區(qū)連接起來組成兩部分，一部分專門用于輸入，一部分專門用于輸出。緩沖池：多個(gè)緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，既可用于輸入又可用于輸出。精品資料329.5設(shè)備分配設(shè)備分配與回收當(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請求時(shí)，設(shè)備分配程序按一定策略(cèlüè)分配設(shè)備、控制器和通道，形成一條數(shù)據(jù)傳輸通路，以供主機(jī)和設(shè)備間信息交換.精品資料331.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：設(shè)備控制(kòngzhì)塊DCB（設(shè)備控制(kòngzhì)表DCT）控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)塊COCB（控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)表COCT）通道控制(kòngzhì)塊CHCB（通道控制(kòngzhì)表CHCT）系統(tǒng)設(shè)備表SDT精品資料341）系統(tǒng)設(shè)備表SDT整個(gè)系統(tǒng)一張表，記錄系統(tǒng)中所有I/O設(shè)備的信息，表目包括：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、進(jìn)程(jìnchéng)標(biāo)識符、DCT設(shè)備控制表指針等2）設(shè)備控制表DCT主要內(nèi)容：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、設(shè)備狀態(tài)、與此設(shè)備相連的COCT(