计算机科学与工程系.ppt

操作系统原理,第五章 设备管理,2,5.1 概述,5.1.1 设备的概念与分类 一基本概念 1. I/O设备：指计算机所能控制的一切控制对象及相联系的媒体，既包括了I/O物理设备，又包括设备控制器，中断控制器，I/O通道，虚拟设备。 2. I/O系统：I/O硬件和OS设备管理的I/O软件统称为I/O系统。 3. I/O操作：内存与I/O设备之间的信息传送。,3,5.1 概述,二.设备分类 1. 按从属关系，可将外设分为： （1）系统设备：系统生成时就已登记在OS中，纳入OS的管理范围的标准设备。 例如：键盘，显示器，磁盘等。 （2）用户设备：OS生成时未登记的非标准设备，由用户向OS提供驱动程序以便OS代管。 例如：MS-DOS中，在系统配置文件config.sys,4,5.1 概述,中，使用DEVICE命令把特定的设备驱动程序安装，格式为： DEVICEC:CD-ROMIDESONYIDE.SYS 2. 按工作特性，分为： （1）I/O设备：又可分为输入设备和输出设备，这些设备都以字符为单位I/O，也称字符设备。 输入设备：把信息从外设输入到内存的设备，如键盘，扫描仪，鼠标等。,5,5.1 概述,输出设备：把信息从内存输出到外设的设备，如显示器，打印机，绘图仪等。 （2）存储设备：用于存储大容量信息，又可以随机访问这些信息的设备，OS中作为内存的扩充。交换信息以成块（组）方式，每块固定大小，为1281024字节，也称为块设备。 例如：磁盘和磁带，光盘等。 3. 按资源分配特性，分为： （1）独占设备：一段时间内只允许一个用户,6,5.1 概述,使用的设备，一旦分配给某个进程使用，就为其独占，直到运行完成 ，才释放给OS。否则，不能保证信息的完整和连续性。是排它性使用。 例如：打印机，终端等多数低速的字符设备都属于独占设备。 （2）共享设备：一段时间内允许多个进程同时使用的设备，宏观上它们同时使用，微观上交替的对它进行信息读和写操作。是可寻址和可随机访问的设备。 例如：磁盘，几个进程可以同时交替的从一台磁盘机上读/写信息。共享设备有较高的利用率，是文件系统的基础。,7,5.1 概述,（3）虚拟设备(virtual device)：以大容量外存为支持，通过虚拟技术(spooling)将一台独占设备改造成共享的设备，这种改造后的设备是一种逻辑上概念上的设备，称为虚拟设备。 例如：采用假脱机技术，用磁盘的一部分空间来代替打印机，用户的打印操作实际上是对磁盘的写操作，一旦打印机不忙，再从盘上取出打印，将慢速的独占设备改造成了可共享的设备。,8,5.1 概述,5.1.2 设备管理的目标和功能 一. 设备管理的目标 1. 方便性 方便用户使用计算机，使用户从各种原始的设备使用方式中解脱出来，为此，OS提供了统一方便的外设使用界面，使用户感到方便灵活的使用方式。OS隐藏了设备的物理特性，为用户的I/O要求完成I/O程序设计，控制设备的传送。 2. 并行性,9,5.1 概述,既要使CPU与外设之间并行工作，也要使外部设备之间并行工作，以提高设备的利用率。OS的任务是合理地分配外设，协调其关系，发挥硬件的并行性。 3. 均衡性 现在OS中，由于多个进程的并发执行，共享系统资源必将引起对资源的竞争，因此，设备管理既要使设备保持忙碌，又要使设备保持忙碌的均衡性。避免由于传输特性而忙闲不均，充分发挥外设的潜力。 例如：通过外存实现虚拟设备。,10,5.1 概述,4. 独立性 即设备无关性，用户编程时尽量使用逻辑设备名，避免直接使用实际的设备名，由OS的设备管理建立其对应关系。可以解决外设故障，增加设备分配的灵活性。 二.设备管理功能 1. 设备的分配与回收 多道程序环境下，多个用户进程可能会同时对某一类设备提出使用请求，设备管理软件应按一定的算法决定把设备具体分配给哪个进 程，分配控制器和通道,11,5.1 概述,，建立从外设到内存之间的信息通路。 2. 地址转换和设备驱动 OS要将用户提供的逻辑设备名转换成设备的物理地址，设备管理还调用设备驱动程序，启动外设，进行实际的I/O操作，完成后将结果通知用户进程。 3. I/O中断处理 当信息传送完成后或有错时，由DMA或通道,12,5.1 概述,等硬件发出中断信号向CPU报告，设备管理程序将通过该类设备的I/O中断服务程序分别处理。 4. 缓冲区管理 目的是解决CPU和外设速度上的差距，提高并行性。OS在内存中开辟了缓冲区暂存信息。 例如：下图所示,13,5.1 概述,5.1.3 I/O设备的组成 I/O设备由机械部件和电子部件二部分组成。,14,5.1 概述,一.物理设备 泛指I/O设备中为完成规定的操作必有的物理装置，是设备的主体部分。 二.电子部件 负责接收和发送主机与物理设备之间的控制命令和I/O数据。主要有两种形式： 1. I/O设备控制器，主要功能有： （1）端口地址译码：将端口发来的设备总线,15,5.1 概述,地址译码，以确定是哪一台设备被系统选中。 （2）按规定的格式和过程，接受和发送控制信号或数据。 （3）数据的缓冲存储：控制器中有数据缓冲寄存器，以暂存I/O数据。 （4）控制I/O设备：如启动，停止，正转，反转，回车，换行等机械动作，并且进行数据加工。 2. I/O设备接口：主要功能有：,16,5.1 概述,（1）实现数据缓冲，使CPU与外设在工作速度上匹配。 （2）实现数据格式转换。如并/串行数据转换。 （3）提供I/O设备和接口的状态，使CPU根据状态信息对外设控制。接口中设立了状态寄存器供CPU读取和判断。 （4）实现主机与外设之间的通讯联络控制，包括：设备选择，操作时序控制，中断请求，批准，DMA方式请求，主机命令与I/O设备状态交换与传递等。,17,5.1 概述,三. I/O接口的分类 1. 按数据传输宽度分类 （1）并行接口 主机与接口，接口与外设之间都是可以同时传送多位数据（一个字节，一个字），因此并行接口的数据通路是按字或字节设置的。适用于离主机较近的设备，如打印机一般接在并行口上。 （2）串行接口（每次只传送一位数据） 接口与主机之间按并行的方式传递，接口与外设,18,5.1 概述,之间按串行方式，每个字节是按位依次传递。接口要求设立移位功能的数据缓冲器，每传来一位移位到相应的位上接收字位，实现数据格式的并串转换。适用于低速设备如鼠标和调制解调器。 2. 按操作节拍分类，根据接口与CPU之间的协调关系分 （1）同步接口：按照CPU的控制节拍进行数据传送，CPU与接口，接口与外设的交换都听从CPU的控制节拍的协调，与CPU节拍同步，操 作时间 必须与,19,5.1 概述,CPU时钟同步，取时钟的整数倍。 （2）异步接口：不由CPU的时钟控制，与时钟节拍无关，利用应答方式实现CPU与I/O设备的信息交换。CPU为主设备，向接口发出“请求”I/O信号，接口传给设备。I/O设备为从设备，完成I/O后向主设备发“回答”信号。 3. 按数据传送的控制方式分类 （1）程序控制的I/O接口 （2）程序中断I/O接口 （3）DMA接口（直接存储器存取）,20,5.1 概述,5.1.4 I/O接口的概念和作用 一.接口的概念 1. 为什么设立I/O接口 （1）外设的结构和工作原理与主机差异很大，都有单独的时钟，时序控制和状态标志。 （2）主机与外设工作速度不同，相差几个数量级，主机在ns级而外设在秒，毫秒一级上。 （3）主机外设的数据格式不同，外设用,21,5.1 概述,ASCII码标识数据，而主机用二进制码表示数据，因此为了协调主机与外设之间的速度差异，进行数据的格式转换，提供状态信息，控制通讯联络。,22,5.2 I/O控制方式,5.2.0 数据传送的控制方式 1. 早期的I/O系统是由程序控制的，外设的启动，停止等全由CPU通过程序控制，外设与CPU不能并行工作，设备之间不能并行工作。 2. 为了提高速度，在外设接口中增设了缓冲器，数据I/O在主存和缓冲器之间进行，但CPU仍要停止工作等待外设数据。 3. 60年代发展了中断概念，程序中断来处理I/O。但中断过分频繁，使CPU忙于处理中断。,23,5.2 I/O控制方式,例如：输入机每秒传1000个字节，要发出1000次中断，如每次中断处理用100s，为传1000字节就要发生1000次中断，所以每秒内CPU就要用去0.1秒处理中断。 4. 系统结构的发展，在I/O系统增设了数据reg，地址reg，计数器等，使外设和MM内存之间不通过CPU而直接进行，成为DMA(direct memory access)工作方式。 5. 将这些控制部分统一起来，具有I/O指令程序来执行I/O的过程，就形成自成独立体系的,24,5.2 I/O控制方式,通道结构(channel)，使各类设备的标准的接口连入系统，形成通道方式。 数据传送的五种控制方式如下图所示：,25,5.2 I/O控制方式,26,5.2 I/O控制方式,5.2.1 循环I/O测试方式（程序查询方式） 一. I/O总线 1. 总线：是连接计算机系统内各部件的共享高速通路，总线结构是决定计算机性能，功能，可扩展性和标准化程度的重要因素。早期微机使用ISA, EISA总线，现在用VESA, PCI总线。 2. I/O总线包括 （1）控制器总线：传送控制信号，指明数据,27,5.2 I/O控制方式,传送性质的信号（读，写数据宽度和数据定时信号）。 （2）地址总线：用于传送I/O设备的地址和数据的内存地址。 （3）数据总线：用于传送数据，状态和指令。 二. 程序直接控制的基本概念 由计算机程序控制数据在CPU和外设之间传输，是在CPU主动控制下完成的。,28,5.2 I/O控制方式,在用户程序中安排一段由I/O指令和其它指令组成的I/O服务程序，直接控制I/O设备。 当I/O时，CPU暂停执行主程序，转去执行I/O服务程序，根据其中的I/O指令进行数据传输。 这是一种简单，经济的I/O方式，只需很少硬件，多个外设时，CPU轮流查询多个外设的状态，又称为轮询方式。 三. 接口组成,29,5.2 I/O控制方式,1. 设备选择电路（设备地址译码器）：包括片选端，地址寄存器，地址译码器。 功能：根据设备地址码来判别接口所接的设备是否被CPU选中。 2. 数据缓冲寄存器 功能：作为CPU与外设之间的数据传送的缓冲区，I/O中数据必须由它为中介。 3. 设备状态标志（位）（设备状态位）,30,5.2 I/O控制方式,功能：标志设备的工作状态，以便接口对外设进行监视，它是接口中标志触发器，如：“忙”，“准备就绪”，“错误”。 四. 工作原理 1. CPU利用数据总线向接口输出命令字，启动外设输入，用测试指令先查看I/O设备状态是否“忙”，为1表示“忙”，则需要循环检测反复查；如为0表示不忙，将其设为“忙”，占有设备。,31,5.2 I/O控制方式,2. 接口接到CPU发来的命令后，启动外设输入。 3. 输入数据送到接口中的数据寄存器。 4. 外设I/O完成，将接口就绪位置为1。 5. CPU检测就绪位为1。 6. 从接口的数据缓冲器读入数据，将忙位置为0。 五. 特点,32,5.2 I/O控制方式,1. 优点：接口硬件简单，控制方式简单。 2. 缺点：CPU与外设串行工作，因为CPU比外设速度快，要等待；循环检测，效率很低。,33,5.2 I/O控制方式,34,5.2 I/O控制方式,其中服务子程序的功能： （1）实现数据传送，输入：从设备将数据输入到内存，输出正好相反。 （2）修改内存地址，为下一次I/O准备。 （3）修改传送字节数，以修改传送长度。 （4）状态分析。 5.2.3 程序中断方式 1. 中断(interrupt)的定义：计算机暂停执行当前程序，转而执行更紧急的程序，并能执行结,35,5.2 I/O控制方式,束后自动恢复原被中断的程序。 2. 程序中断方式 的传输过程如下： （1）进程请求I/O时，由程序启动I/O接口，I/O接口向外设发启动信号，启动外设。 （2)进程放弃CPU，等待完成。进程调度程序将CPU分配给其他进程，与外设并行工作。 （3）I/O完成时，I/O接口通过中断请求线向CPU发出中断信号，CPU在一条指令执行后响应中断，转入管态由OS的I/O中断服务程序处理。 （4）解除请求I/O的进程的阻塞态，转入就绪态，加入就绪队列。,36,5.2 I/O控制方式,5.2.4 DMAI/O方式 中断方式改善了CPU的利用率，但CPU仍直接控制I/O，并忙于处理I/O中断，耗费时间，不适合大批量数据传送的场合，为了大批量的进行数据传送，在I/O系统中引入了直接存储器存取方式。 一. 概述 1. DMA方式：在进行数据传送时，CPU让出总线控制权，由DMA控制器硬件从CPU中接管总线控制权，数据交换不经过CPU而直接在内存和外设之间大批量传送，以提高速度和传输效率。,37,5.2 I/O控制方式,2. CPU很少干预数据的I/O，只在数据传送开始前，初始化DMA控制器的设备地址寄存器，内存地址寄存器和传送字计数器，CPU不干预数据传送开始后的工作。 3. DMA方式的特点 （1）DMA使内存既可被CPU访问，也可被快速外设（盘）访问。 （2）由硬件完成地址确定，数据传送，计数,38,5.2 I/O控制方式,控制。 （3）内存中开辟专用缓冲区，及时提供或接收数据。 （4）外设完全与CPU并行工作，提高系统效率。 二. DMA控制器的组成 （在中断接口基础上再加上DMA机构组成） 1. 内存地址寄存器 存放内存交换数据的地址。DMA传送前，用程序将数据块的内存的首地址送入。而当DMA传送时，每传,39,5.2 I/O控制方式,送一次数据，地址加1，给出下一次交换的数据地址。 2. 字计数器 记录传送数据块的长度（字数）。DMA开始前，由程序预置，通常以补码形式表示，每传送一个字，加1，溢出，即最高位产生进位时，此数据块传送完毕，DMA控制器向CPU发出中断信号。,40,5.2 I/O控制方式,3. 数据缓冲寄存器 暂存每次传送的一个字，输入时由设备（盘）送往这里，再通过数据总线送到主存或相反。 4. DMA请求触发器 每当设备准备好一个数据后，给DMA控制器一个控制信号，使“DMA请求”标志置1，通知DMA数据已就绪，该标志置位后，向“控制/状态”逻辑发出DMA请求， “控制/状态”逻,41,5.2 I/O控制方式,辑向CPU发出总线使用权请求（HOLD）。 5. “控制/状态”逻辑 由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送方向（输入或输出），并对“DMA请求”信号和CPU响应信号协调和同步。 6. 中断机构 当字计数器溢出（全0）时，意味着一组数,42,5.2 I/O控制方式,据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断，请求CPU处理DMA传送后工作。这与I/O中断用的技术相同，但目的不同，前者为了数据I/O，而这里是为了一组数据传送结束，是不同的中断事件。,43,5.2 I/O控制方式,44,5.2 I/O控制方式,三. DMA控制器的工作原理 1. DMA预处理 由CPU执行I/O指令测试设备状态，向DMA控制器发设备地址，将内存地址存入内存地址寄存器，字节计数存入字节计数器。设备准备好数据向DMA控制器发DMA请求，DMA控制器向CPU发DMA请求，CPU让出总线控制权。 2. 数据传送阶段：以数据块为单位传送 输入： （1）从外设中读入一个数据到数据缓冲器中； （2）地址计数器内容读入到内存地址寄存器，接口的数据缓冲器内容读入内存的数据寄存器,45,5.2 I/O控制方式,（3）控制启动内容的写操作，写入指定位置； （4）地址计数器加1，字计数器内容减1； （5）为0时向CPU发中断，否则循环(1)-(4)。 输出： （1）DMA内存地址计数器内容读入内存地址寄存器中；,46,5.2 I/O控制方式,（2）启动内存读操作，将内存数据寄存器内容读入DMA数据缓冲器中； （3）启动外设，将数据缓冲器内容输出到外设 ； （4）内存地址计数器加1，字计数器减1； （5）为0时，停止，发中断；否则循环（1）（4）。 3. DMA后处理阶段,47,5.2 I/O控制方式,DMA中断请求得到响应，CPU转入中断服务程序完成结束处理，对数据校验，出错处理，继续传送否。 5.2.5 通道控制方式和外围处理机方式 一. 通道(channel)的结构 1. 通道：是具有特殊功能的处理机，它有自己的指令和程序，专门负责数据I/O的传输控制。 2. CPU将传输控制权交给通道，由通道完成I/O控制，通道与CPU分时共享主存。,48,5.2 I/O控制方式,二. 通道分类 1. 字节多路通道(Byte multiplexor channel) 连接大量低速外设，如纸带机，卡读机，打印机等，这些设备速度很低。 字节多路通道包括多个子通道，如IBM 370通道为该类通道，有128条子通道，每个子通道服务一个设备控制器，控制多台设备，独立的执行通道指令。 所有子通道共享相同的控制部件，每个子,49,5.2 I/O控制方式,通道的指令和参数存放在内存固定的单元中，进行I/O时从内存读出，送公共控制部分。 采用分时的方式控制多台外设“并行”工作，每台设备轮流占用通道的一个时间片，各自执行各自的I/O。 信息传送方式：字节交叉方式。 2. 选择通道(selector channel) 连接高速外设，如磁盘，磁带；,50,5.2 I/O控制方式,由于设备速率快，每次只能从所连接的外设中选择一台设备的通道程序执行，独占通道，直到I/O完成 ； 信息以成组方式高速I/O； 只能一台设备独占，但高速外设的寻找，延迟时长，通道要等待，利用率低。 3. 数组多路通道 连接高速外设，以成组方式I/O ；,51,5.2 I/O控制方式,可以控制多台高速外设同时进行控制性操作； 每一时刻只能让一台设备占有通道I/O； 保留了选择通道高速传送的优点，又利用了字节多路通道分时控制外设并行进行控制性操作，使通道充分发挥，在实际系统中较多应用。 三. 通道的工作方式 通道的I/O操作由两种指令实现控制：,52,5.2 I/O控制方式, I/O指令：包括启动I/O（SIO），查询通道（TCH），停止I/O（HIO）等，均为特权指令。指令中，除操作码外，还包含通道地址和设备地址。 CCW通道命令字：CCW是通道本身执行的指令，一般有读，写控制和转移等功能。 1. SIO命令格式(start I/O),53,5.2 I/O控制方式,(B1)+D1形成了存放通道号和设备号的单元地址 功能：启动指定的通道和设备工作。 2. CCW的格式,54,5.2 I/O控制方式,通道程序的第一个CCW的地址由通道地址字CAW(channel address word)指明，必须把相应的CAW存入主存的（72）10号单元，在执行SIO命令时，通道硬件根据（72）10号单元中存放的CAW得到CCW链的首地址，取到第一条CCW命令，执行通道程序。CAW的格式为：,55,5.2 I/O控制方式, 03位：存储保护键，此键信息写入相应通道的寄存器，当数据写入主存时，即检验此键与存储器的保护键是否一致，无保护键时，应为0。 47位：为0。 831位：指出第一个CCW在主存的位置。 CCW命令字的格式为： 07位：通道指令码，指出应执行何种,56,5.2 I/O控制方式,操作。 831位：指出主存中I/O字节地址，它是CCW所确定的存储区的头一单元。对读操作表示目的地址，对写操作表示源地址。 3236位：表示特性，通道程序的连接方式或标志通道命令特点。 32位：数据链CD(chain data)，为1：则在计数器为0后，取下一条CCW，下一条CCW确定了新的数据地址，新的特性，新的计数，,57,5.2 I/O控制方式,但是不管新的操作码是什么，继续执行原来的操作。 33位：命令链CC(chain command)，为1：则在计数器为0后执行下一条CCW，新的CCW操作码有效，程序中每条CCW除了最后一条以下，或应给32位，或应给33位，或者说当32和33位全为0时，则是通道程序中的最后一条。 34位：封锁错误长度SLI(suppress length,58,5.2 I/O控制方式,indicator)，为0：如通道程序给定的字节数同I/O设备所规定的字节数不符，便向程序发出错误长度信号；为1：便封锁出错信号，如有些读卡机中规定的字节数为80，而通道程序中规定的不是80，则34位置为0。 35位：封锁写入存储（SKIP），该位为1时，在做读出，反向读出或断定状态的操作时，不写入存储器，这样就可以掠过某些设备的某些信息，而不用在存储器内为它们留出位,59,5.2 I/O控制方式,置，实现假读。 36位：程序控制中断PCI(program controller interrupt)，此位为1，则只要通道一取出该CCW并开始操作，通道立即向CPU发中断信号，该中断属于I/O中断，将通道程序操作沿链推进的程度用中断方式通知CPU。 3739位应为0，若不为0，看作通道程序出错。 4063位：给定该CCW所确定的存储区,60,5.2 I/O控制方式,的字节数。 3. 通道方式的I/O过程 （1）当进程发出I/O请求后，经过中断进入OS运行。 （2）当前发出I/O请求的进程被阻塞，加入该设备的阻塞队列，等待I/O完成。 （3）通道被启动后，自动到内存（72）10单元中取出CAW中的通道程序的首地址，按此地址到内存中取出第一条CCW执行。,61,5.2 I/O控制方式,（4）当执行完一条CCW后，即计数器为0时，如果32或33特征位为1，还有下一条CCW则继续执行；否则传输完成，通道向CPU发出I/O中断请求，同时把通道状态字CSW(channel status word)存入内存(64)10单元（IBM 370）。 （5）CPU响应I/O中断，再次转入管态，由OS的I/O中断服务程序进行处理，根据内存(64)10单元中的CSW分析本次中断的原因并处,62,5.2 I/O控制方式,理。,63,5.3 缓冲技术和Spooling技术,5.3.1 缓冲技术引入 一. 引入目的 1. 缓解CPU与外设速度差距，提高CPU与I/O设备之间的并行性 例1：打印机的字符缓冲队列,64,5.3 缓冲技术和Spooling技术,例2：,65,5.3 缓冲技术和Spooling技术,66,5.3 缓冲技术和Spooling技术,2. 减少I/O中断次数和CPU的中断处理时间,67,5.3 缓冲技术和Spooling技术,3. 解决DMA或通道方式中可能出现的瓶颈问题。 二. 实现缓冲区的方法 1. 硬件缓冲区：位于I/O接口，通道及I/O控制器以专用的数据缓冲寄存器作为缓冲区，暂存数据。但由于成本高，容量一般都小。 2. 软件缓冲区：在内存中开辟一片单元作为缓冲区，专用于存放I/O操作要存放的数据。,68,5.3 缓冲技术和Spooling技术,5.3.2 缓冲区的种类 1. 单缓冲区：让输入设备与输出设备共用一个buffer。 适于数据到达率与离去率相差很大的情况。如输入很慢，读出处理很快时，二者串行工作。 缺点：I/O设备并行性差，效率低。,69,5.3 缓冲技术和Spooling技术,2. 双缓冲区 为输入和输出分配两个缓冲区，交替使用。 例1：,70,5.3 缓冲技术和Spooling技术,例2：解决终端设备与打印机之间的并行操作问题。,71,5.3 缓冲技术和Spooling技术,3. 缓冲池(buffer pool) 将多个大小相同的buffer连接起来，统一管理，每个buffer既可以用于输入也可用于输出的一种结构。 OS中设立了有管理的数据结构，定义了分配，释放函数。缓冲池由多个缓冲区组成，每个缓冲区由两部分组成，一一对应。,72,5.3 缓冲技术和Spooling技术,（1）缓冲首部(buffer head)：存放缓冲区管理控制信息。如：设备号，读/写标志，缓冲区首地址，I/O字节计数和与其他缓冲区首部的勾链指针等。 （2）缓冲区：存放数据用的缓冲体。 例：UNIX V6中，为磁盘定义了15个缓冲区的缓冲池 struct buffer ,73,5.3 缓冲技术和Spooling技术,int b-flags; 标志字位串， （0位1：读盘，1位1：I/O完成，2位1：I/O出错，3位1：忙， 6位1：忙等待， 8位1：异步I/O，9位1：延迟） struct buffer *b-forw; struct buffer *b-back; struct buffer *av-forw; struct buffer *av-back; int b-dev; 设备号,74,5.3 缓冲技术和Spooling技术,int b-wcount; 传送字补码 char *b-addr; 内存地址，为buffer首地址 char *b-blkno; 盘物理块号 buffer15; 5.3.3 虚拟设备 一. 问题提出 1. 提出虚拟设备的原因 （1）独占型设备数量少，不能满足多用户 的使用要求；,75,5.3 缓冲技术和Spooling技术,（2）独占型设备的工作时间短，大部分时间空闲，不能充分利用设备； （3）独占型设备速度低，由于等待I/O而延长了程序的执行时间； （4）独占型设备采用分配释放的方式，用户独占使用。 为此，现代OS提供了虚拟设备解决此问题。 2. 虚拟设备,76,5.3 缓冲技术和Spooling技术,1.定义 在一个具有大容量的直接存取的共享设备中（如盘）开辟一个区域来代替某台独享设备，把分散使用的信息集中起来保存在此区域中，这样需要用独占设备的并发进程都分到一个区域，称为虚拟设备。 2. 特点 （1）由独占设备变成共享，提高效率； （2） 增加了外围计算机；,77,5.3 缓冲技术和Spooling技术,（3）增加了操作员的手工操作； （4）不易实现作业搭配运行。 联机外设同时操作又称为假脱机操作，采用这种技术的OS提供虚拟设备，OS中实现此功能的模块称为Spooling系统(simultaneous peripheral operations on-line)。 二. Spooling系统的设计与实现 1. Spooling系统的结构,78,5.3 缓冲技术和Spooling技术,79,5.3 缓冲技术和Spooling技术,2. 数据结构 （1）作业表：SPOOLing系统设置了一张作业表，以便登记进入输入井的各个作业的管理信息。下图给出了作业表的格式。,80,5.3 缓冲技术和Spooling技术,（2）预输入表和缓输出表：每个作业有一张预输入表，也称为作业控制块(JCB)，记录了作业的有关信息；缓输出表也是每个作业一张，用来登记作业产生的结果文件，其格式类似于预输入表。 3. Spooling预输入程序 功能：控制信息从设备 缓冲区 入井，为作业填写作业表，预输入表，分配井空间，读入作业信息。,81,5.3 缓冲技术和Spooling技术,井中作业状态：输入，收容，执行，完成。 4.井管理程序 输入井管理程序：当用户作业发出读的操作时，从井中取出信息送入主存，根据文件名查预输入表，得文件的位置。取出信息后，井归还OS。 输出井管理程序：将用户输出结果入井，并登记缓输出表（与预输入表类似），包含作业名，文件名，设备类，数据始地址等。 5.缓输出程序,82,5.3 缓冲技术和Spooling技术,将井中信息从设备输出，并回收空间，查看缓输出表，将输出信息 相应设备，格式加工。,83,5.4 I/O软件,5-4-1 I/O软件的目标与层次结构 1.I/O软件的设计目标 （1）设备无关性 这是I/O软件的一个关键的目标。设备无关性也称为设备独立性，是指I/O软件与实际使用的物理设备无关。 （2）错误处理 一般说来，对于I/O错误应尽可能地由靠近,84,5.4 I/O软件,它的硬件进行处理。 （3）同步传输与异步传输 异步传输：是指CPU发出I/O指令，启动设备传输后，不等待I/O完成就返回继续运行其他的程序。 同步传输：是用户程序请求系统执行I/O后，相应的进程则转入阻塞态，等待I/O完成后，再继续运行。 2. I/O软件的层次结构,85,5.4 I/O软件,操作系统中一般把I/O软件的结构分成四个层次。按照由高层向低层的排列次序，这四个层次是： 用户空间的I/O软件 与设备无关的操作系统软件 设备驱动程序 中断处理程序 I/O系统的层次结构如下图所示：,86,5.4 I/O软件,87,5.4 I/O软件,5.4.2 I/O中断的处理 1. 操作正常结束 当中断的原因为通道结束，控制器结束和设备结束时，表示设备已完成了预先规定的所有操作，形成了I/O操作正常结束的中断事件。 2. 操作异常结束 当I/O操作中发生了设备故障或者设备特殊情况时，就要产生操作异常结束的I/O中断事件。,88,5.4 I/O软件,（1）设备故障 当执行输入输出操作时，如果发现设备本身出现故障，例如，硬件接口错、控制错、通道故障以及数据错(如校验码不符合)等情况，则组织复执。 （2）设备特殊情况 各种设备在工作中都可能出现一些特殊情况。例如，打印机发现纸已经用完、写磁带时写到了带末点等等。,89,5.4 I/O软件,5.4.3 设备驱动程序 1. 设备驱动程序的功能 （1）根据传送要求设置I/O接口中有关的各种控制寄存器的值。 （2）向有关的I/O设备发出控制命令，启动设备、通道或DMA控制器工作，并且进行一些设备错误的检测和处理。 （3）对该类设备的I/O请求队列、睡眠、唤,90,5.4 I/O软件,醒等操作进行处理。 2. 设备驱动程序的结构 通常，设备驱动程序与设备类型是一一对应的，系统为每一种类型的设备设置一个设备驱动程序。 为了对驱动子程序进行统一管理，系统为每一类设备又设置了一个数据结构，来存放这些操作子程序的入口地址，这个数据结构称为设备开关表DST(Device Switch Table)。,91,5.4 I/O软件,5.4.4 与设备无关的I/O软件 在I/O软件中，除了设备驱动程序与设备的硬件特性相关以外，大部分软件是与设备无关的。 图5-7给出了与设备无关软件所实现的典型功能。,92,5.4 I/O软件,93,5.4 I/O软件,1. 设备命名 I/O软件中，对I/O设备采用了统一命名。设备名包含了主设备号和次设备号。 2. 设备保护 设备保护防止未授权的用户对设备的使用或者用户的非法使用。 3. 提供与设备无关的逻辑块 与设备无关的软件隐藏各种设备的空间大,94,5.4 I/O软件,小，存取速度上的差异，而向上层软件提供大小统一的逻辑块 。 4. 缓冲 缓冲技术可以解决数据传送过程中的瓶颈问题，提高并行程度。块设备和字符设备