计算机操作系统课件第5章 设备管理.ppt

设备管理,内容提要,I/O系统 I/O控制方式 中断技术 缓冲管理 设备分配 I/O处理过程,设备管理对象,设备管理的对象是硬件资源中除CPU、存储器之外的所有设备。,设备管理的任务,选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作 控制输入输出设备和CPU（或内存）之间交换数据 方便用户使用I/O设备 提高设备和设备之间、CPU和设备之间的并行操作度,设备管理的功能,设备分配 设备处理 缓冲管理 虚拟设备,I/O系统的两大分类,微机I/O系统：总线型I/O系统结构 主机I/O系统：具有通道的I/O系统结构,总线型I/O系统结构,CPU,存储器,磁 盘控制器,打印机控制器,其 它控制器,打印机,磁盘驱动器,系统总线,具有通道的I/O系统结构,计算机,设备,I/O通道1,I/O通道2,控制器,控制器,控制器,控制器,设备,I/O设备,按传输速率分类,低速设备：几个几百字节/秒 中速设备：数千数十千字节/秒 高速设备：数百千数兆字节/秒,按信息交换单位分类,块设备：特征是传输速率较高，可寻址，磁盘设备的I/O采用DMA方式； 字符设备：特征是传输速率低，不可寻址，字符设备在I/O时采用中断驱动方式；,按设备共享属性分类,独占设备 共享设备 虚拟设备,I/O设备与设备控制器间的接口,转换器,缓冲,控制逻辑,I/O设备,数据信号线,状态信号线,控制信号线,数据,信号,至设备控制器,接口信号分类,数据信号 控制信号 状态信号,设备控制器,设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，它接受CPU的命令，并控制I/O设备工作。它是一个可编址设备。 设备控制器可分为两大类：一类是用于控制字符设备的控制器；另一类是用于控制块设备的控制器。,设备控制器的功能,接受和识别命令 数据交换 设备状态的了解和报告 地址识别 数据缓冲 差错控制,设备控制器的组成,设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑,设备控制器的组成,数据寄存器,控制/状态寄存器,I/O逻辑,控制器与设备接口1,控制器与设备接口i,数据,状态,控制,数据,状态,控制,数据线,控制线,地址线,I/O通道设备的引入,在CPU和设备之间增加了设备控制器后，使数据的传送能独立于CPU，但有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理工作仍然由CPU承担。这样当主机所配置的外设很多时，CPU的负担仍很重。所以在CPU和外设间又增设了通道。,I/O通道,I/O通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过I/O程序来控制I/O操作； 它与一般处理机的区别：(1)指令类型单一；(2)没有内存，通道与CPU共享内存。,I/O通道类型,字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道,字节多路通道的工作原理,控制器A,A1A2A3子通道A,控制器B,B1B2B3子通道B,控制器C,C1C2C3子通道C,控制器N,N1N2N3子通道N,控制器,A1B1C1A2B2C2,设备,单通路I/O系统,设备1,设备2,设备3,设备4,设备5,设备6,设备7,控制器1,控制器2,控制器3,控制器4,通道1,通道2,存储器,瓶颈问题,由于通道价格昂贵，致使机器中所设置的通道数量势必较少，这往往又成为I/O瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的降低。,多通路I/O系统,I/O设备,控制器1,控制器2,通道1,通道2,存储器,I/O设备,I/O设备,I/O设备,单总线模型,CPU,存储器,磁盘 控制器,打印机 控制器,其它 控制器,磁盘驱动器,打印机,系统总线,I/O控制方式,程序I/O方式 中断驱动I/O控制方式 DMA方式 通道控制方式,程序I/O方式,向I/O控制器 发读命令,读I/O控制器 的状态,检查状态？,从I/O控制器 中读入字,向I/O控制器 中写字,传送完成？,CPU,I/O,I/O,CPU,I/O,CPU,CPU,内存,出错,就绪,完成，执行下一条指令,未完,未 就 绪,中断驱动方式,CPU一旦启动设备成功，CPU转去执行另一个程序。当设备完成时，向CPU提出中断请求，CPU执行完当前一条指令，就响应中断，转去执行中断处理程序。从而使CPU可与设备并行操作。,中断驱动方式,CPU与I/O设备并行操作,CPU向I/O控制器发读命令,读I/O控制器的状态,从I/O控制器中读入字,向存储器中写字,CPU可做其它事了,I/OCPU,出错,就绪,I/OCPU,CPU内存,传送完成,检查状态,是，检查是否还有传输操作,未完,数据进入数据寄存器，发中断,从外部设备读取一块数据到存储器，每次读一个字的数据,中 断 处 理,DMA方式,数据缓冲寄存器DR,内存地址寄存器MAR,数据计数器DC,命令/状态寄存器CR,命令,系统总线,DMA控制器,内存,主机控制器接口,CPU,数据块缓冲区,磁盘,DMA方式的特征,数据传输基本单位是数据块 在DMA控制器的控制下，设备直接与内存交换数据 仅在开始和结束时才需CPU干预,DMA控制器的组成,命令/状态寄存器CR 内存地址寄存器MAR 数据寄存器DR 数据计数器DC,DMA控制器的组成,count,I/O控制逻辑,DR,MAR,DC,CR,命令,CPU,内存,主机控制器接口,控制器与块设备接口,系统总线,DMA控制器,DMA工作过程,首先，控制器控制磁盘驱动器串行地一位一位地读，在数据缓冲寄存器中组装成字节，直到将整块信息放入控制器的内部缓冲区中 其次，它计算检查和，以核实没有读错误发生 然后控制器将从缓冲区中一次一个字节或一个字地读数据送主存贮器中，直到一块读完 产生一个中断。等待CPU响应中断,DMA工作过程,DMA 控制磁盘驱动器进行读数据，并将读的位组成字节,挪用CPU工作周期传送数据字,存储器地址增1 数据计数器减1,DC=0 ?,请求中断,N,Y,每当把磁盘 一个数据字 读入数据寄 存器，DMA 控制器取代 CPU接管地 址总线的控 制权。 使CPU访问 总线时速度 会变慢。,DMA控制下的CPU工作方式,CPU向DMA控制器发读块命令（设置MAR和DC初值），启动DMA进行传送，启动成功， CPU转去做其它事,CPU执行磁盘的中断处理程序：检查DMA控制器的状态，唤醒等待进程等,下条指令,磁盘完成中断,通道I/O控制方式,与DMA方式相比，通道所需的CPU干预更少，且可以做到一个通道控制多个控制器，每个控制器可以控制多个设备，进一步减轻了CPU的负担。,通道、CPU及I/O设备并行工作,主 存,I/O通道1,I/O通道2,控制器,控制器,控制器,控制器,设备,设备,CPU,通道I/O控制工作过程,CPU向I/O通道发出一条I/O指令，给出所要执行的通道程序的首地址和要访问的I/O设备。 通道接到CPU发来的指令后，通过执行通道程序，控制指定设备完成CPU指定的I/O任务。,控制通道的命令,启动I/O指令：CPU执行启动I/O指令启动通道开始执行。在这种指令中，通常含有通道号、设备号和通道程序在主存的起始地址。 测试I/O指令：CPU在执行过程中可根据需要使用该指令测试通道及外设的状态。 停止I/O指令：强行结束通道和外设的当前工作。 通道指令格式：操作码、主存地址、程序连接标志和记录连接标志,通道I/O控制方式,中断,中断是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。,中断相关概念,中断源：引起中断发生的事件 中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号 中断响应： CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序 禁止中断：有些情况下，尽管产生了中断源和发出了中断请求，但CPU内部的处理机状态字PSW的中断允许位已被清除，从而不允许CPU响应中断，这种情况称为禁止中断，也称为关中断,中断相关概念,开中断：CPU禁止中断后只有等到PSW的中断允许位被重新设置后才能接收中断。PSW的中断允许位的设置也被称为开中断 中断屏蔽：指在中断请求产生后，系统用软件方式有选择的封锁部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应,中断的种类,外中断：来自处理机和内存外部的中断 内中断：在处理机和内存内部产生的中断，一般分为陷入和异常,中断优先级,为了按中断源的轻重缓急处理响应中断，操作系统对不同的中断赋予不同的优先级。 各中断源的优先级在系统设计时给定，在系统运行时是固定的。而处理机的优先级则根据执行情况由系统程序动态设定。,硬中断与软中断,硬中断：通过硬件产生相应的中断请求 软中断：通信进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式 硬中断与软中断的区别：中断源发中断请求或软中断信号后，CPU或接收进程在适当的时机自动进行中断处理或完成软中断信号所对应的功能,中断处理过程,判断中断响应条件,关中断,保存被中断进程现场,分析中断原因 调用中断处理子程序,执行中断处理子程序,退出中断 恢复现场,开中断,返回中断点,缓冲的引入,缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率 提高CPU与I/O设备之间的并行性,缓冲的实现,采用专用的硬件缓冲器，如I/O控制方式中的数据缓冲寄存器。有单缓冲和双缓冲 软件缓冲：在内存划出一个具有n个单元的专用缓冲区，以便存放输入输出的数据。通常使用由多个缓冲区组成的缓冲池，系统统一管理,单缓冲,在设备和处理机之间设置一个缓冲器。设备和处理机交换数据时，先把被交换数据写入缓冲器，然后需要数据的设备或处理机从缓冲器取走数据。,单缓冲,用户进程,操作系统,传送,输入,I/O设备,单缓冲双机通信,A机,缓冲区,B机,缓冲区,单缓冲的特点,单缓冲能匹配设备和处理机的处理速度 设备和设备之间不能通过单缓冲达到并行操作,双缓冲,用户进程,操作系统,传送,输入,I/O设备,在设备和处理机之间设置两个缓冲器。,双缓冲双机通信,A机,发 送缓冲区,接 收缓冲区,B机,发 送缓冲区,接 收缓冲区,双缓冲的特点,可以实现设备和设备，CPU和设备之间的并行操作 不能用于实际系统中的并行操作,循环缓冲,多缓冲是把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出的缓冲结构。多缓冲区被组织成循环缓冲形式。,循环缓冲,传送,输入,用户进程,操作系统,I/O设备,多缓冲区的类型,空缓冲区R：用于存放输入数据 已装满数据的缓冲区G：其中数据提供给计算进程使用 现行工作缓冲区C：计算进程正在使用的缓冲区,多缓冲区的指针,Nextg：指示计算进程下一个可用的缓冲区G； Nexti：指示输入进程下次可用的空缓冲区R； Current：指示计算进程正在使用的缓冲区单元。,循环缓冲,R,R,G,G,G,G,1,2,3,4,5,6,R,R,G,G,G,C,1,2,3,4,5,6,Nexti,Nexti,Nextg,Nextg,Current,缓冲区的使用,Getbuf过程 Releasebuf过程,缓冲池,循环缓冲区属于专用缓冲，仅适用于特定的I/O进程和计算进程。为提高缓冲区的利用率，目前广泛使用公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程使用。,缓冲池的组成,空缓冲队列emq 输入队列inq 输出队列outq,四种工作缓冲区,用于收容设备输入数据的工作缓冲区 用于提取设备输入数据的工作缓冲区 用于收容输出数据的工作缓冲区 用于提取输出数据的工作缓冲区,缓冲区的工作方式,收容输入工作方式 提取输入工作方式 收容输出工作方式 提取输出工作方式,缓冲区的工作方式,用户程序,提取输入,收容输出,收容输入,提取输出,设备分配,在多道程序环境下，设备不允许用户自行使用，必须由系统分配。为实现设备分配，必须在系统中设置相应的数据结构。,设备分配中的数据结构,系统设备表SDT（System Device Table） 设备控制表DCT（Device Control Table） 控制器控制表COCT （COntroler Control Table） 通道控制表CHCT （CHannel Control Table）,系统设备表SDT,表项1,表项i,设备类型,设备标识符,DCT,驱动程序入口,SDT是系统范围的数据结构，记录了系统中全部的设备情况。每个设备占一个表项。,设备控制表DCT,系统为每一个设备配置一张表，用于记录该设备的情况。,DCT1,DCTi,DCTn,设备类型,设备标识符,设备状态：忙/闲,重复执行次数或时间,指向与之相连控制器控制表指针,设备队列的队首指针,控制器控制表COCT,系统为每一个控制器都设置了一张用于记录本控制器情况的控制器控制表。,控制器标识符,控制器状态：忙/闲,指向与控制器连接的通道表指针,控制器队列的队首指针,控制器队列的队尾指针,通道控制表CHCT,通道标识符,通道状态：忙/闲,与通道连接的控制器表首址,通道队列的队首指针,通道队列的队尾指针,与设备分配相关的因素,设备的固有属性 设备分配算法 设备分配的安全性 设备独立性,设备的固有属性,独享设备 共享设备 虚拟设备,设备分配算法,先来先服务 优先级高者优先,设备分配中的安全性,安全分配方式 不安全分配方式,设备独立性的概念,设备独立性也称设备无关性，其基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备。 为了设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两个概念。 在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；在实际执行时，使用物理设备名称。,设备独立性带来的好处,设备分配时的灵活性 易于实现I/O重定向：在不改变应用程序的前提下，更换I/O操作的设备,设备独立性软件的功能,执行设备的公有操作，包括对独立设备的分配和回收；将逻辑设备名映射为物理设备名；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理；差错控制。 向用户层软件提供统一的接口。,逻辑设备表LUT,当进程用逻辑设备名来请求分配I/O设备时，系统为它分配物理设备，并在该表中建立一个表项，填上信息。,逻辑设备名,物理设备名,驱动程序入口地址,/dev/print,/dev/tty,3,5,1024,2046,LUT的设置问题,整个系统设置一张LUT 为每个用户设置一张LUT,基本设备分配程序,进程用逻辑设备名请求I/O设备 分配设备 分配控制器 分配通道,SPOOLing技术,SPOOLing(Simultaneous Periphernal Operations On-Line)外围设备同时联机操作，又称假脱机操作。 在多道程序的计算机系统中，用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围处理机功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围处理机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。,SPOOLing技术,这样，便可以在主机的直接控制下，实现脱机输入输出功能。此时的外围操作和CPU对数据的处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing。,SPOOLing系统的组成,输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程SPi和输出进程SPo 请求打印队列,SPOOLing系统的组成,输入缓冲区Bi,输出缓冲区Bo,输入进程SPi,输出进程SPo,输入设备,输出设备,输入井,输出井,磁盘,SPOOLing系统的工作过程,存输入,存输出,取输出,作业2,作业3,作业4,取输入,读卡机,作业5,打印机,作业1,4,3,5,2,磁盘输入井,3,2,4,1,磁盘输出井,SPOOLing系统举例,用户进程请求打印输出,SPOOLing系统中的输出进程