操作系統(tǒng)-設(shè)備

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)張柏禮bailey_zhang@計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院14設(shè)備管理基本概念I(lǐng)/O控制方式I/O設(shè)備分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)24設(shè)備管理：基本概念I(lǐng)/O設(shè)備又稱為外部設(shè)備（外設(shè)），外圍設(shè)備廣義上的I/O設(shè)備：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中用于人機(jī)交互或與其他機(jī)器通訊的所有設(shè)備，如顯示器、鍵盤，打印機(jī)，網(wǎng)卡，還包括所有的存儲(chǔ)設(shè)備，如磁盤，磁帶等狹義上的I/O設(shè)備：不包括存儲(chǔ)設(shè)備I/O設(shè)備的分類按使用特性分輸入輸出設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)、音箱等存儲(chǔ)設(shè)備：磁盤、磁帶、光盤網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備：各種網(wǎng)絡(luò)接口、調(diào)制解調(diào)器34設(shè)備管理：基本概念按信息交換的單位分塊設(shè)備：數(shù)據(jù)交換的單位是數(shù)據(jù)塊，如磁盤，磁帶（基本等價(jià)于存儲(chǔ)設(shè)備）字符設(shè)備：數(shù)據(jù)交換的單位是字節(jié)，如終端鍵盤、打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)接口（基本等價(jià)于輸入輸出和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備）按共享屬性分獨(dú)占設(shè)備：臨界資源，并發(fā)進(jìn)程需互斥地使用這類設(shè)備，它一段時(shí)間內(nèi)只能由一個(gè)進(jìn)程獨(dú)占，直到其使用完畢或主動(dòng)釋放共享設(shè)備：多個(gè)進(jìn)程可以交替的使用這類設(shè)備，不必等另一個(gè)進(jìn)程使用結(jié)束后才能訪問，但某一個(gè)時(shí)刻只允許一個(gè)進(jìn)程訪問，如磁盤可以供多進(jìn)程交替使用，在某一個(gè)進(jìn)程A傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)刻，其他進(jìn)程是不可以使用，但在進(jìn)程A完成這次磁盤指令后，下一個(gè)指令下達(dá)前，磁盤可被其他進(jìn)程使用虛擬設(shè)備：通過虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換成多臺(tái)邏輯設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用44設(shè)備管理：基本概念I(lǐng)/O設(shè)備控制器通常I/O設(shè)備并不是直接與CPU通訊，而是與I/O設(shè)備控制器進(jìn)行通訊，設(shè)備控制器是處理機(jī)和設(shè)備之間的接口，它負(fù)責(zé)接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作設(shè)備控制器的主要功能接受和識(shí)別命令數(shù)據(jù)交換設(shè)備狀態(tài)的了解和報(bào)告地址識(shí)別設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口設(shè)備控制器與設(shè)備的接口I/O邏輯54設(shè)備管理：基本概念設(shè)備管理的基本功能I/O控制設(shè)備分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)管理 并行操作64設(shè)備管理基本概念I(lǐng)/O控制方式I/O設(shè)備分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)74設(shè)備管理：I/O控制方式I/O控制I/O設(shè)備的輸入輸出控制方式隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也在不斷的發(fā)展其主要方向是不斷地減少主機(jī)CPU對(duì)輸入輸出的控制，將主機(jī)從繁瑣低速的I/O事務(wù)中解脫出來，去完成更多數(shù)據(jù)處理的任務(wù)，提高CPU的利用率I/O控制的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段程序直接I/O控制方式中斷I/O控制方式DMAI/O控制方式通道I/O控制方式84設(shè)備管理：I/O控制方式程序直接I/O控制又稱為忙—等方式、輪巡方式和循環(huán)測(cè)試方式用戶程序直接控制CPU與外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送，這種方式的控制者是用戶進(jìn)程，其硬件體系結(jié)構(gòu)如圖設(shè)備控制器上有三個(gè)寄存器，控制寄存器、狀態(tài)寄存器、數(shù)據(jù)寄存器通過memory-mappedI/O技術(shù)，使三個(gè)寄存器都具有內(nèi)存的地址，從而CPU可以直接與它們交互94設(shè)備管理：I/O控制方式當(dāng)進(jìn)程需要從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)時(shí)（1）通過CPU發(fā)出設(shè)備啟動(dòng)指令到控制寄存器（2）進(jìn)程進(jìn)入測(cè)試等待狀態(tài)，不斷地用測(cè)試指令檢查狀態(tài)寄存器是否有完成標(biāo)志（3）當(dāng)外設(shè)將單字節(jié)數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)寄存器后，狀態(tài)寄存器設(shè)置完成標(biāo)志（4）進(jìn)程檢測(cè)到完成標(biāo)志后，將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中讀走（5）如還需輸入數(shù)據(jù)，則回到（1）繼續(xù)，否則完成I/O當(dāng)進(jìn)程需要輸出數(shù)據(jù)到外設(shè)時(shí)，同樣發(fā)出啟動(dòng)命令，并等待設(shè)備準(zhǔn)備好之后才能輸出數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)：硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出程序也相當(dāng)簡(jiǎn)單劣勢(shì)：CPU的高速性和I/O設(shè)備的低速性矛盾突出，導(dǎo)致CPU大多數(shù)時(shí)間都用于循環(huán)檢測(cè)，CPU利用率很低，外設(shè)無法并行，只能串行一旦外設(shè)故障，狀態(tài)寄存器失效，可能導(dǎo)致CPU“死等”104設(shè)備管理：I/O控制方式中斷I/O控制方式當(dāng)某進(jìn)程需要啟動(dòng)某個(gè)外設(shè)工作時(shí)CPU向設(shè)備控制器發(fā)送一條I/O指令，然后返還執(zhí)行其他任務(wù)設(shè)備控制器具有一定的智能，受到指令后，按指令要求控制設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入輸出，這時(shí)外設(shè)和CPU處于并行操作當(dāng)輸入/輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器后，設(shè)備控制器便向CPU發(fā)送一中斷信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷后，發(fā)送指令給設(shè)備控制器，由設(shè)備控制器將數(shù)據(jù)寫入內(nèi)存或由內(nèi)存寫入數(shù)據(jù)寄存器在外設(shè)輸入/輸出數(shù)據(jù)過程中，無需CPU的干預(yù)，只有外設(shè)輸入/輸出結(jié)束時(shí)，才需要花很短的時(shí)間進(jìn)行中斷處理如終端輸入一個(gè)字符的數(shù)據(jù)約為100ms，而將字符由數(shù)據(jù)寄存器送入內(nèi)存緩沖區(qū)的時(shí)間為0.1ms，如用程序直接I/O方式，CPU的99.9ms處于忙—等狀態(tài)，而采用中斷控制，CPU可以將這99.9ms用于處理其他事情中斷方式使CPU和外設(shè)可以并行運(yùn)行，提高了系統(tǒng)資源利用率和吞吐量，并具有實(shí)時(shí)響應(yīng)能力，可以及時(shí)處理異常問題，提高了系統(tǒng)的可靠性114設(shè)備管理：I/O控制方式直接存儲(chǔ)器訪問控制方式（DMA方式）中斷方式的效率比程序直接I/O高得多，但中斷方式仍以字節(jié)為單位，每進(jìn)行一個(gè)字節(jié)的傳送，CPU都要干預(yù)一次，對(duì)于塊設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，由于數(shù)據(jù)量很大且傳送速率很高時(shí)，中斷這種方式就顯得比較低效DMA方式則是針對(duì)塊數(shù)據(jù)的傳輸，對(duì)設(shè)備控制器的功能進(jìn)行了擴(kuò)充，形成了DMA控制器（DMAC），增加地址寄存器（用于指明被傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址）、長(zhǎng)度計(jì)數(shù)器（被傳輸數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)）以及數(shù)據(jù)緩沖寄存器124設(shè)備管理：I/O控制方式DMA方式在內(nèi)存和外設(shè)之間進(jìn)行成塊數(shù)據(jù)傳送過程中，不需要CPU的干預(yù)，僅在成塊數(shù)據(jù)讀寫開始和結(jié)束時(shí)需要CPU的參與DMA方式的數(shù)據(jù)塊傳送過程可分為三個(gè)階段，以從磁盤讀入數(shù)據(jù)為例預(yù)處理階段：當(dāng)CPU要從磁盤讀入一數(shù)據(jù)塊，便向磁盤控制器發(fā)送一條讀命令，包含數(shù)據(jù)讀入的磁盤物理地址讀入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)讀入數(shù)據(jù)后存放的內(nèi)存地址 然后，對(duì)DMAC進(jìn)行初始化和啟動(dòng)，這時(shí)CPU可以去處理其他任務(wù)134設(shè)備管理：I/O控制方式數(shù)據(jù)傳送階段：由DMAC控制總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸DMAC從磁盤讀入一個(gè)字符，并送入數(shù)據(jù)寄存器申請(qǐng)一個(gè)總線周期將該數(shù)據(jù)寫入指定的內(nèi)存地址中，并將數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1如減1后不為0，則DMAC繼續(xù)從磁盤讀取數(shù)據(jù)如數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1后為0，表明數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，DMAC發(fā)送中斷至CPU后處理階段：CPU響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，檢查數(shù)據(jù)，決定是否結(jié)束傳輸144設(shè)備管理：I/O控制方式通道I/O控制方式DMA相對(duì)于中斷方式，將CPU的干預(yù)由每個(gè)字節(jié)為單位，減少到以數(shù)據(jù)塊為單位，但CPU每發(fā)出一次I/O指令，只能讀寫一個(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，如果需要一次讀寫多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊，則需CPU發(fā)出多條I/O指令發(fā)生多次中斷 通道相當(dāng)于一個(gè)具有專門用于輸入輸出的處理機(jī)，具有特定的指令和程序，可以執(zhí)行通道進(jìn)程代替主機(jī)CPU實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳送，完成更多的功能如當(dāng)CPU要完成多組數(shù)據(jù)的讀寫，只需要將相關(guān)指令一次性發(fā)送給通道，通道接收到指令后，執(zhí)行通道程序即可自行完成這多組數(shù)據(jù)的讀寫通道按照信息交換方式的不同，在一個(gè)系統(tǒng)中可以設(shè)立三種類型的通道字節(jié)多路通道：用于連接多臺(tái)低速的外設(shè)，以字節(jié)為傳輸單位，各設(shè)備輪流占用一個(gè)時(shí)間片，是一種簡(jiǎn)單的共享通道154設(shè)備管理：I/O控制方式164設(shè)備管理：I/O控制方式選擇通道：用于連接多臺(tái)高速的外設(shè)，以數(shù)據(jù)塊為傳輸單位在某段時(shí)間，通道只能選擇一個(gè)外設(shè)進(jìn)行I/O操作，只有一個(gè)輸入輸出操作完成后，才能與其他設(shè)備相連由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間很短，I/O操作更多的時(shí)間用在尋址等其他方面，如讀寫磁盤數(shù)據(jù)，磁盤臂移動(dòng)尋址需要很長(zhǎng)的時(shí)間，這時(shí)通道只能空等，所以通道利用率不高數(shù)據(jù)多路通道：對(duì)選擇通道的改進(jìn)，其主要思想是當(dāng)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，通道為其服務(wù)當(dāng)設(shè)備在執(zhí)行尋址等控制性動(dòng)作時(shí)，通道暫時(shí)斷開與這個(gè)設(shè)備的連接，掛起該設(shè)備的通道程序，為其他設(shè)備服務(wù)這樣提高了通道的利用率（相當(dāng)于通道變成了一個(gè)多道系統(tǒng)）通道方式是一種比DMA更為高效的方式，可以進(jìn)一步減輕CPU的負(fù)擔(dān)，提高CPU和外設(shè)的并行能力17設(shè)備管理基本概念I(lǐng)/O控制方式I/O設(shè)備分配設(shè)備驅(qū)動(dòng)184設(shè)備管理：I/O設(shè)備分配設(shè)備分配與回收每個(gè)進(jìn)程進(jìn)行I/O傳送前必須擁有設(shè)備的使用權(quán)進(jìn)程必須向系統(tǒng)提出設(shè)備申請(qǐng)，使用完畢后及時(shí)歸還作為設(shè)備管理機(jī)構(gòu)，應(yīng)響應(yīng)進(jìn)程的設(shè)備請(qǐng)求，在條件許可的情況下把設(shè)備分配給申請(qǐng)者，同時(shí)能夠及時(shí)回收設(shè)備設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（1）設(shè)備控制表DCB，一臺(tái)外設(shè)一個(gè)，是外設(shè)存在的唯一標(biāo)志設(shè)備標(biāo)識(shí)設(shè)備類型設(shè)備狀態(tài)掛起進(jìn)程隊(duì)列相連通道其他194設(shè)備管理：I/O設(shè)備分配（2）通道控制塊CHCB，和通道一一對(duì)應(yīng)，其中保存與通道有關(guān)的全部信息通道標(biāo)識(shí)通道狀態(tài)等待通道的進(jìn)程隊(duì)列控制器列表（3）系統(tǒng)設(shè)備表SDT：整個(gè)系統(tǒng)一張，記錄系統(tǒng)中所有設(shè)備的概要信息所有I/O設(shè)備的類型各類設(shè)備的數(shù)量DCB的表地址各類設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序的入口204設(shè)備管理：I/O設(shè)備分配設(shè)備分配的原則高效率，充分利用設(shè)備，使設(shè)備盡可能忙安全性，避免不合理的分配方法造成的進(jìn)程死鎖與物理設(shè)備無關(guān)性，用戶請(qǐng)求的是邏輯設(shè)備，分配程序根據(jù)當(dāng)前請(qǐng)求和設(shè)備分配情況，在相應(yīng)類別的設(shè)備中選擇一個(gè)空閑物理設(shè)備將其分配給申請(qǐng)者，而不支持用戶直接對(duì)物理設(shè)備的請(qǐng)求214設(shè)備管理：I/O設(shè)備分配設(shè)備分配方式靜態(tài)分配在進(jìn)程運(yùn)行前，由系統(tǒng)按資源清單一次性滿足設(shè)備要求，一旦分配后，設(shè)備資源一直為進(jìn)程所占用，直到進(jìn)程結(jié)束靜態(tài)分配不會(huì)出現(xiàn)死鎖，但設(shè)備利用率低動(dòng)態(tài)分配在進(jìn)程運(yùn)行過程中提出輸入輸出請(qǐng)求，分為（1）單請(qǐng)求：發(fā)出I/O請(qǐng)求后立即進(jìn)入掛起狀態(tài)，直到I/O請(qǐng)求完成才喚醒，保證設(shè)備分配的安全性，因?yàn)樗痪哂兴梨i的必要條件（請(qǐng)求保持條件），但進(jìn)程運(yùn)行慢，設(shè)備利用率低（2）多請(qǐng)求：允許進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后繼續(xù)運(yùn)行，必要時(shí)發(fā)出其他的I/O請(qǐng)求，這樣進(jìn)程進(jìn)展快，設(shè)備利用率高，但容易發(fā)生死鎖224設(shè)備管理：I/O設(shè)備分配設(shè)備分配算法先請(qǐng)求先分配（先來先分配）優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先分配分配算法流程（1）根據(jù)被申請(qǐng)I/O設(shè)備的類型查找系統(tǒng)設(shè)備表SDT（2）在SDT中找到該類設(shè)備，檢查可用的數(shù)量如小于等于0，則表明此類設(shè)備沒有空閑，進(jìn)程進(jìn)入此類設(shè)備的阻塞等待隊(duì)列如果大于0，根據(jù)該項(xiàng)中DCB指針檢索該類設(shè)備的DCB表，找到一個(gè)空閑設(shè)備將其分配給進(jìn)程，并將SDT表中該類設(shè)備的可用數(shù)量減1（3）進(jìn)程獲得設(shè)備后，從DCB表中找到相連的通道，進(jìn)行通道使用的申請(qǐng)如通道忙，則進(jìn)程進(jìn)入該通道的等待隊(duì)列如通道空閑，則將通道分配給進(jìn)程，返回設(shè)備申請(qǐng)成功標(biāo)志23設(shè)備管理基本概念I(lǐng)/O控制方式I/O設(shè)備分配I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)244設(shè)備管理：I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)I/O軟件的層次結(jié)構(gòu)I/O設(shè)備管理軟件分層構(gòu)造思想將系統(tǒng)輸入輸出的功能組成一系列的層次每個(gè)層次完成輸入輸出的功能的一個(gè)子集每一個(gè)層次功能實(shí)現(xiàn)都依賴其下層所完成的更底層的功能，并屏蔽這些功能的實(shí)現(xiàn)為上層提供各種服務(wù)某一層次的修改不會(huì)引起其上層和下層代碼的修改其主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性，即除了直接與設(shè)備直接打交道的底層軟件外，其他部分的軟件并不依賴于硬件254設(shè)備管理：I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)層次結(jié)構(gòu)的組成（1）用戶空間軟件實(shí)現(xiàn)I/O功能的大部分軟件屬于操作系統(tǒng)，但用戶程序中有一小部分因輸入輸出需要而和I/O庫函數(shù)相連，因此也歸到I/O系統(tǒng)的一部分如C函數(shù)庫中fopen（），fwrite（）等函數(shù)，這些庫函數(shù)運(yùn)行在用戶態(tài)，他們往往沒有做太多的事情，只是簡(jiǎn)單調(diào)用操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)如open（），write（），但pringf（），scanf（）等函數(shù)還是確實(shí)做了很多實(shí)際的工作（主要是格式的轉(zhuǎn)換）（2）與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)一般都是在OS內(nèi)核，兩者的界定隨操作系統(tǒng)的不同而變化I/O軟件中大部分屬于與設(shè)備無關(guān)的軟件，它對(duì)上層提供系統(tǒng)調(diào)用接口，對(duì)下通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序264設(shè)備管理：I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件主要完成的功能274設(shè)備管理：I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)（3）中斷處理程序I/O設(shè)備產(chǎn)生的中斷應(yīng)盡量放到操作系統(tǒng)的底層進(jìn)程處理，讓其他部分軟件盡可能少和它發(fā)生聯(lián)系當(dāng)進(jìn)程進(jìn)行I/O操作時(shí)，將被阻塞至I/O操作結(jié)束中斷發(fā)生時(shí)，由中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的操作并將其由阻塞狀態(tài)改為就緒狀態(tài)，中斷處理程序同時(shí)檢查設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列獲取下一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)請(qǐng)求，并驅(qū)動(dòng)設(shè)備如當(dāng)用戶程序試圖從磁盤讀取一個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用：檢查數(shù)據(jù)塊緩存是否有該數(shù)據(jù)塊，如沒有，則調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)向硬件發(fā)出請(qǐng)求，用戶進(jìn)程隨即進(jìn)入阻塞磁盤根據(jù)設(shè)備驅(qū)動(dòng)發(fā)送的指令將數(shù)據(jù)讀入內(nèi)存，完成數(shù)據(jù)傳輸后，設(shè)備控制器發(fā)出一個(gè)中斷，激活中斷處理程序中斷處理程序則從設(shè)備獲取返還值