《c6_设备管理》PPT课件.ppt

设备管理,概述 I/O系统特点 设备分类 I/O硬件 设备管理 Windows I/O技术,系统的基本目标是：向用户提供使用 设备的方便接口以及充分发挥设备利用率。 隐蔽设备的物理特性 提供独立于设备的统一接口 设备的分配 在多道程序系统中，用户进程竞争使用有限的设备资源。按设备的使用方式，设备有独享设备和共享设备之分。一台独享设备在一进程使用期间为该进程所独占，其它进程不得插入进行交替使用。 出错处理 出错处理是系统的另一重要任务。总的说来，错误应尽可能在硬件层或最接近硬件的软件部分处理。如果控制器或通道能够处理则自行处理，否则由设备驱动程序处理,1、I/O的特点,（1）I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的进程 进程切换多，系统开销大,（2）操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O 外设种类繁多，结构各异 输入输出数据信号类型不同 速度差异很大 （3）理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键 （4）与其他功能联系密切，特别是文件系统,（1）按使用特性分 存储型设备 输入型设备（外设主机） 输出型设备（主机外设） 输入输出型设备（交互型设备）,2、设备的分类,（2）按数据组织分 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 字符设备 以字符为单位存储、传输信息,（3）按外部设备的从属关系分 系统设备 指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备 （如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备 指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。 （如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备）,（4）按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备（如打印机，磁带等） 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘）,虚设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备 目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备）,为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术,Spooling技术,（5）从程序使用角度分 逻辑设备、物理设备 （6）按数据传输率分 高速设备、低速设备 （7）按接口分 与用户交流：显示器，键盘，鼠标，打印机等 与电子设备交流：磁盘、磁带等 通信：与远程设备通信：调制解调器,各类设备的差别： 数据传输率 应用 控制的复杂性 传输单位 数据表示 出错条件,（1） 按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成用户的I/O请求。,3.设备管理的目标和任务,设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法， 选择一条数据通路 建立统一的独立于设备的接口 完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作 处理外部设备的中断处理 管理I/O缓冲区,功能,（2）向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担 方便性 友好界面 透明性 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O的差异性）,（3）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率 并行性 均衡性（使设备充分忙碌）,（4）保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作 （5）保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的,（6）与设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换 用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备。 统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序中使用的是逻辑设备 优点： 设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程序 改善了系统的可适应性和可扩展性,IO软件的基本思想是按分层思想构成，较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性，较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口。,二、I/O软件的组成,在设计IO软件时的一个关键概念是设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 与设备独立性密切相关的是统一命名这一目标。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单的字符串或一个整数，不应依赖于设备,1. IO软件的目标,出错处理是IO软件的另一个目标。一般来说，数据传输中的错误应尽可能地在接近硬件层上处理 最后一个问题是可共享设备和独占设备的处理问题,2.中断处理程序,每个进程在启动一个IO操作后阻塞 直到IO操作完成并产生一个中断 由操作系统接管CPU后唤醒该进程为止。,3.设备驱动程序,与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中，每个设备驱动程序处理一种设备类型 每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器，用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令，并监督它们正确执行,一般，设备驱动程序任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求，并执行这个请求。 在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后，系统有两种处理方式， 执行设备驱动程序的进程必须等待命令完成，这样，在命令开始执行后，它阻塞自已，直到中断处理时将它解除阻塞为止。 而在其它情况下，命令执行不必延迟就很快完成。,4.设备独立的软件,虽然IO软件中一部分是设备专用的，但大部分软件是与设备无关的。设备驱动程序与设备独立软件之间的确切界限是依赖于具体系统的,1.独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口 2.如何给文件和设备这样的对象命名是操作系统中的一个主要课题。独立于设备的软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上 3.设备保护 系统如何防止无权存取设备的用户存取设备,4.不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较高层软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸，这正是设备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一个逻辑块。这样，较高层的软件只与抽象设备打交道，独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块 5.缓冲技术 6.设备分配 7.出错处理,5.用户空间的IO软件,尽管大部分IO软件都包含在操作系统中，但仍有一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程，甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，包括IO系统调用，通常由库过程实现 这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参数放在合适的位置，由其它的IO过程实际实现真正的操作,（1）用户进程层执行输入输出系统调用，对IO数据进行格式化，为假脱机输入输出作准备 （2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配 （3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态 （4）中断处理程序负责IO完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理 （5）硬件层实现物理IO的操作,1.设备组成 IO设备一般由机械和电子两部分组成 把这两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计,三、I/O硬件特点,（1）物理设备 机械部分是设备本身（物理装置） （2）设备控制器 电子部分叫做设备控制器或适配器。 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中（接口） 完成设备与主机间的连接和通讯,控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连 控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合ANSI、IEEE或ISO这样的国际标准。,I/O设备特点： （1）操作异步性 （2）设备自治性 （3）接口通用性 关注点：对该硬件如何进行程序设计，不考虑设备内部如何工作 程序员：软件接口 即硬件所接受的命令，它所完成的功能，报回的错误,四、设备有关技术,Spooling（虚拟设备）技术 一个虚拟设备 一个资源转换技术 （用空间，如输入，输出等换取CPU时间） 解决问题： 在进程所需物理设备不存在或被占用时使用该设备,计算机系统I/O设备与部件配置的应用技术 顾名思义： 插入就可用，不需要进行任何设置操作,即插即用技术（Plug and Play）,由于一个系统可以配置多种外部设备，设备也经常变动和更换，它们都要占有一定的系统资源，彼此间在硬件和软件上可能会产生冲突。因此在系统中要正确地对它们进行配置和资源匹配；当设备撤除、添置和进行系统升级时，配置过程往往是一个困难的过程,PnP技术的产生,（1）支持I/O设备及部件的自动配置，使用户能够简单方便地使用系统扩充设备 （2）减少由制造商装入的种种用户支持和限制，简化部件的硬件跳接设置，使I/O附加卡和部件不再具有人工跳接线设置电路。 （3）在主机板和附加卡上保存系统资源的配置参数和分配状态，有利于系统对整个I/O资源的分配和控制 （4）支持和兼容各种操作系统平台，具有很强的扩展性和可移植性。 （5）在一定程度上具有“热插入”、“热拼接”技术,PnP技术的特点,设备分配程序,1 设备分配的数据结构,在配置有通道的计算机系统中，设备分配程序至少应解决以下三个问题： (1) 是否有能用来为I/O请求提供的通路? (2) 是否有一条以上的通路可用? (3) 如果当前尚无通路可用， 那么通路何时才能空闲?,数据结构： 设备控制块DCB（设备控制表DCT） 控制器控制块COCB （控制器控制表COCT） 通道控制块CHCB （通道控制表CHCT） 系统设备表SDT,设备控制表,系统设备表SDT 整个系统一张表，记录系统中所有I/O设备的信息，表目包括： 设备类型、设备标识符、进程标识符、DCT表指针等,设备控制表DCT 主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、与此设备相连的COCT、重复执行的次数或时间、等待队列的队首和队尾指针、I/O程序地址 COCT、CHCT与DCT类似,通道控制表（CHCT） 根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT；继续查找与该设备连接的COCT和CHCT，就找到了一条通路,由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则 考虑的因素： I/O设备的固有属性 I/O设备的分配算法 设备分配的安全性 与设备的无关性,2.设备分配策略,独占设备的分配 要考虑充分发挥效率，避免由于不合理的分配策略造成死锁 静态分配：在进程运行前, 完成设备分配；运行结束时，收回设备 缺点：设备利用率低,动态分配： 在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回 优点：效率好 缺点：分配策略不好时, 产生死锁,共享设备分配 由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好,为了控制I/O传输，系统为每类设备编制设备驱动程序 任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的信息，并根据设备分配的结果，结合具体物理设备特性完成以下具体工作,设备驱动程序,(1) 预置设备的初始状态 (2) 根据请求传输的数据量，组织I/O缓冲队列，利用I/O缓冲对数据进行加工，包括数据格式处理和编码转换 (3) 构造I/O程序（在有通道系统中，是通道程序） (4) 启动设备进行I/O操作,不同操作系统处理I/O事务所采用的形式不同，主要有三种处理方式： (1) 每类设备一个I/O进程 (2) 整个系统一个I/O进程 (3) 为各类设备设置相应的设备处理程序供外部调用 I/O进程：专门处理系统中的I/O请求和I/O中断工作,设备分配实现方案：I/O进程,（1）I/O请求的进入 用户程序：调用send将I/O请求发送给I/O进程；调用block将自己阻塞，直到I/O任务完成后被唤醒 系统：利用wakeup唤醒I/O进程，完成用户所要求的I/O处理 （2）I/O中断的进入 当I/O中断发生时，内核中的中断处理程序发一条消息给I/O进程，由I/O进程负责判断并处理中断,（3）I/O进程 是系统进程，一般赋予最高优先级。一旦被唤醒，它可以很快抢占处理机投入运行 I/O进程开始运行后，首先关闭中断，然后用receive去接收消息。两种情形：,没有消息，则开中断，将自己阻塞； 有消息，则判断消息（I/O请求或I/O中断）； a.I/O请求 准备通道程序，发出启动I/O指令，继续判断有无消息 b.I/O中断，进一步判断正常或异常结束 正常：唤醒要求进行I/O操作的进程 异常：转入相应的错误处理程序,为进程P分配所需的I/O设备,从SDT表查该类设备的控制表DCT,由DCT检查该设备忙否?,不忙,检查分配此设备的安全性?,不安全,分配此设备给进程P,查此设备连接的COCT忙否?,不忙,不忙,分配此控制器给进程P,查此控制器连接的CHCT忙否?,最后一个DCT?,分配此通道给进程P,启动I/O,进行具体的I/O操作,忙,进程P的PCB放入 此设备的等待队列,Y,N,忙,最后一个COCT?,最后一个DCT?,进程 P 的 PCB 放入 此控制器的等待队列,Y,N,Y,忙,最后一个CHCT?,Y,最后一个COCT?,进程 P 的 PCB 放入 此通道的等待队列,N,Y,N,N,多通路设备分配流程示意图,管理程序,保护现场 组织通道程序 保存通道程序 的始址于CAW 启动I/O指令 分析条件码 启动成功使 P阻塞, 另选 程序q运行 保护程序q的 现场 分析中断原因 处理I/O中断 选择可运行程序,请求 启动程序,程序q,程序P,用户程序,判断状态 执行通道程序 控制I/O设备 操作,执行情 况记录在CSW 出现中断事件 CSW=主存通 道号, 设备号 送特定寄存器,通道程序,执行规定 的操作,设备控制器和设备,1,2,3,4,5,6,I/O的操作全过程,I/O系统的软件组织,I/O软件设计的目标,设备无关性。其含义就是使程序员写出的软件无需任何修改便能读出软盘、硬盘以及CD-ROM等不同设备上的文件，而与具体设备无关。 错误处理。 同步/异步传输。 处理独占设备和共享设备的I/O操作。,为实现以上四个目标， I/O系统应组织成以下四个层次： (1) 中断处理程序； (2) 设备驱动程序； (3) 与设备无关的I/O软件； (4) 用户空间的I/O软件。,中断处理程序 中断处理程序位于I/O系统的最低层。当进程需要进行I/O操作时，操作系统应将该进程挂起，即进入阻塞，直至I/O操作结束并发生中断。 当中断发生时，中断处理程序执行相应的操作，以解除相应进程的阻塞状态。,设备驱动程序,设备驱动程序包括了所有与设备有关的代码。每一个设备驱动程序只处理一种设备或者一类密切相关的设备。 设备驱动程序的功能是从与设备无关的软件中接收抽象的请求，并执行该请求。例如，读磁盘上的第n块。如果请求到来时，驱动程序空闲，则它立即执行该请求； 但如果它正在处理另一请求， 则它将该请求挂在一个等待队列中。,与设备无关的I/O软件,以块设备为例，与设备无关的I/O软件的主要功能包括： 设备命名 (2) 设备保护 (3) 与设备无关的块大小 (4) 数据缓冲 (5) 数据块的分配 (6) 对独占设备的分配与释放 (7) 错误处理,用户空间的I/O软件,尽管大部分I/O软件属于操作系统，但是也有一小部分是与用户程序链接在一起的库例程，甚至是在核心外运行的完整程序。 系统调用，包括I/O系统调用，通常是库例程调用。如下C语句： count=write(fd， buffer， nbyte)； 所调用的库函数write( )将与用户程序链接在一起， 并包含在运行时的二进制代码中。这一类库例程显然也是I/O系统的一部分。标准I/O库包含相当多涉及I/O的库例程，它们作为用户程序的一部分运行。,I/O系统软件的层次结构,I/O系统的层次结构,图 6.22 I/O系统概貌,I/O系统概貌,Windows 的I/O系统,NT执行体的I/O系统接收用户态和核心态进程的I/O请求，以不同的方式传送到I/O设备。I/O系统包含一组负责处理各种设备的输入/输出部件： (1) I/O管理程序； (2) 文件系统； (3) 缓冲存储管理器(Cache Manager)； (4) 设备驱动程序(Device Driver)； (5) 网络转发程序(NetWork Redirector)和网络服务程序(Network Server)。,I/O管理程序 I/O管理程序建立了NT执行体的I/O模型，它实现与设备无关的输入/输出，即它并不进行实际的I/O处理。 主要工作是建立一个代表I/O操作的I/O请求包IRP(I/O Request Packet)，把IRP传送给适当的驱动程序并在I/O完成后处理其结果，最后撤消IRP。,驱动程序接收IRP，执行IRP规定