设备管理_设备处理技术讲义

第五章设备管理5 1概述5 2I O软件5 3I O系统硬件5 4有关技术5 5设备处理5 6典型外部设备 5 1概述5 1 1I O管理的重要性1 I O设备就像计算机系统的五官和四肢2 I O性能经常成为系统性能的瓶颈 1 CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 2 CPU性能越高 与I O差距越大弥补 更多的进程 3 进程切换多 系统开销大 3 操作系统庞大复杂的原因是 资源多 杂 并发 均来自I O4 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5 I O技术很实用6 与其他功能联系密切 特别是文件系统 5 1 2设备的分类1 按使用特性分 存储型设备 输入输出型设备 交互型设备 终端设备 脱机设备 2 按数据组织分块设备 以数据块为单位存储 传输信息 如磁盘 磁带 字符设备 以字符为单位存储 传输信息 如打印机 终端 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 从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 虚拟设备 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拟设备 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 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 5 1 3设备管理的目标和任务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 设备管理功能 1 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 2 建立统一的独立于设备的接口 3 完成设备驱动程序 实现真正的I O操作 4 处理外部设备的中断处理 5 管理I O缓冲区 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 使系统能有条不紊地工作 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 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 5 1 4I O技术I O控制方式 程序I O方式 中断方式 通道方式 DMA方式 这也是数据传送控制的四种方式 I O控制功能 解释用户的I O系统调用 设备驱动 中断处理 5 2I O软件I O软件的基本思想是按分层的思想构成 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 5 2 1I O软件的目标在设计I O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 出错处理是I O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 5 2 2中断处理每个进程在启动一个I O操作后阻塞直到I O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 5 2 3设备驱动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 5 2 4与设备无关的软件虽然I O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呢 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 2 5用户空间的I O软件尽管大部分I O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I O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I O过程实现真正的操作 1 用户进程层执行输入输出系统调用 对I O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I O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I O的操作 5 3I O系统硬件5 3 1设备组成I O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 I O设备特点 1 操作异步性 2 设备自治性 3 接口通用性 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 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 5 3 2设备接口一次完整的I O传送过程 典型地由一长列低级信号组成 这些信号启动设备所执行的操作 并通过测试设备状态来监控设备操作的进展 一个I O过程由四步组成 准备启动测试和等待结果检查和错误处理通过对设备接口寄存器组的读写完成设备接口复杂繁琐 5 3 3设备连接模式指I O设备与CPU之间的连接方式 亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式 在一个确定的连接模式下 从I O设备到CPU间的所有连接成分构成了一条I O路径 I O链 1 总线将计算机系统中的各个子系统 CPU 内存 外设等 相互连接 且连接是共享的线路 分为数据总线 地址总线 控制总线 2 控制器 适配器 电子部分 完成设备与主机间的连接和通讯 3 DMA数据在内存与I O设备间的直接成块传送 操作由DMA硬件直接完成 如下图所示 当DMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时 每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时 DMA控制器取代CPU 接管地址总线的控制权 并按照DMA控制器中的存储器地址寄存器内容把数据送入相应的内存单元中 然后 DMA硬件自动地把传送字节计数器减1 把存储器地址寄存器加1 并恢复CPU对内存的控制权 DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程 直到传送字节计数器为 0 时 向CPU产生一个中断信号 当操作系统接管CPU控制权时 再无需做块复制的工作了 寄存器 5 4设备有关技术5 4 1通道技术1 定义 通道是独立于CPU的专门负责数据输入 输出传输工作的处理机 对外部设备实现统一管理 代替CPU对输入 输出操作进行控制 从而使输入 输出操作可与CPU并行操作 通道相当于一个功能简单的处理机 包含通道指令 空操作 读操作 写操作 控制 转移操作 并可执行用这些指令编写的通道程序 3 分类1 字节多路通道字节多路通道以字节为单位传输信息 它可以分时地执行多个通道程序 当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后 通道硬件就控制转去执行另一个通道程序 控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速I O设备 如打印机 终端 2 引入通道的目的为了使CPU从I O事务中解脱出来 同时为了提高CPU与设备 设备与设备之间的并行工作能力 2 选择通道选择通道是以成组方式工作的 即每次传送一批数据 故传送速度很高 选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序 只允许一台设备进行数据传输 当这台设备数据传输完成后 再选择与通道连接的另一台设备 执行它的相应的通道程序主要连接磁盘 磁带等高速I O设备 3 成组多路通道它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点 它先为一台设备执行一条通道指令 然后自动转接 为另一台设备执行一条通道指令主要连接高速设备 执行通道程序 向控制器发出命令 并具有向CPU发中断信号的功能 一旦CPU发出指令 启动通道 则通道独立于CPU工作 一个通道可连接多个控制器 一个控制器可连接多个设备 形成树形交叉连接 交叉连接 5 4 2Spooling技术Spooling SimultaneausPeriphernalOperatingOn Line 技术是以通道为基础 在操作系统的配合下 实现联机情况下输入 输出外围操作同时进行 也称为假脱机操作 当系统引入多道程序技术后 完全可以用其中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能 把低速I O设备上的数据传送到高速磁盘上 再用其中的另一道程序模拟脱机输出时的外围控制机功能 把数据从磁盘传送到低速输出设备上 这样就缓和了CPU的高速性与I O的低速之间的矛盾 Spooling系统主要功能将输入设备上的信息写到辅存输入井上 系统或用户程序从输入井中读信息 系统或用户程序将数据写到输出井中将从输出井中数据交给慢速输出设备 5 4 3DMA技术DMA directmemoryaccess 方式与中断方式的主要区别中断方式是在数据缓冲寄存区满后 发中断请求 CPU进行中断处理 DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理 大大减少了CPU进行中断处理的次数 中断方式的数据传送是由CPU控制完成的 而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的 控制器按照指定存储器地址 把第一个字节送入主存 然后 按指定字节数进行数据传送 每当传送一个字节后 字节计数器值减1 直到字节计数器等于0此时 控制器引发中断 通知操作系统 操作完成 CPU提供被读取块磁盘地址目标存储地址待读取字节数整块数据读进缓冲区核准校验 DMA工作示例 以硬盘为例 DMA工作原理存放输入数据的内存起始地址 要传送的字节数送入DMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器中断允许位和启动位置成1 启动设备发出传输要求的进程进入等待状态执行指令被暂时挂起 进程调度其他进程占据CPU输入设备不断窃取CPU工作周期 数据不断写入内存传送完毕 发出中断信号CPU接到中断信号转入中断处理程序处理中断处理结束 CPU返回原进程或切换到新的进程 5 4 4缓冲技术1 缓冲 Buffer 技术的引入凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术 在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I O操作 以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾 提高资源利用率 缓冲技术减少了I O设备对处理器的中断请求次数简化了中断机制节省了系统开销 2 缓冲区设置硬缓冲 在设备中设置缓冲区 由硬件实现软缓冲 在内存中开辟一个空间 用作缓冲区 3 缓冲区管理单缓冲双缓冲缓冲池 多个缓冲区连接起来统一管理 构成缓冲池 池中设置了多个可供若干进程共享的缓冲区 避免内存的大量消耗 4 CPU高速缓冲在计算机中 为了减少CPU的等待时间 必须提高系统主存储器的响应速度为此使用了高速缓存 用来存储CPU常用的代码和数据信息 在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器 把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器 供CPU在一段时间内使用 这对提高运行速度有很大的作用 高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系 一般规定高速缓冲与内存的空间比为4 1000 即128kB高速缓冲可映射32MB内存 256kB高速缓冲可映射64MB内存 缓冲技术与虚拟设备技术的区别 目的不同前者解决速度匹配问题 后者将独占设备转化为共享设备 存贮空间不同前者使用内存 后者使用外存 5 4 5总线技术新一代计算机出现 带来了总线技术的更新 1 总线的基本概念在计算机系统内各种子系统 如CPU 内存 I O设备等之间 构建公用的信号或数据传输通道 这种可共享连接的传输通道称为总线 总线的分类 CPU 内存总线 I O总线 数据总线 地址总线 控制总线 非本课程范围 2 总线的分类 微型计算机总线的种类和发展 1394总线 SCSI总线 3 USB技术USB UniversalSerialBus 通用串行总线 是一种连接I O串行设备的技术标准 冲破了计算机技术发展的两个历史局限性 1 由于I O设备的接口标准的不一致和有限的接口数量已无法满足各种应用迫切需要 2 传统的I O设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的需求 USB以WDM WindowsDriverModel 模型为基础 WDM包含一套通用的I O服务和二进制兼容的设备驱动程序 USB支持同步数据传输方式和异步数据传输方式 其数据传输率有低速1 5Mbps和全速12Mbps两种 比标准串口快100倍 比标准并口快10倍USB可以主动为外部设备提供电源 允许外部设备快速连接 具有即插即用的功能允许外部设备的热插拔 4 SCSI接口技术SCSI SmallComputerSystemInterface 即小型计算机系统接口 SCSI系统结构 5 4 6即插即用技术 PlugandPlay 计算机系统I O设备与部件配置的应用技术 不需要进行任何设置操作 PnP技术的产生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技术的特点 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 5 5设备处理5 5 1设备分配与回收当某进程向系统提出I O请求时 设备分配程序按一定策略分配设备 控制器和通道 形成一条数据传输通路 以供主机和设备间信息交换 设备独立性 即不能因为设备的忙碌 故障或更换而影响程序的运行 向用户屏蔽物理设备 呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备 1 数据结构 设备控制表DCT主要内容 设备类型 设备标识符 设备状态 指向控制器表指针 重复执行的次数或时间 等待队列的队首指针 I O程序地址等 设备控制器表集合 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 此外还有控制器控制表COCT和通道控制表CHCT 数据结构见书P162 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 2 设备分配策略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 1 独占设备的分配静态分配 在进程运行前 完成设备分配 运行结束时 收回设备 优点 实现简单 不会死锁 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 效率缺点 分配策略不好时 产生死锁 2 共享设备分配在作业调度时仅作出静态决定 进程执行时 才进行动态分配 即将I O请求形成I O请求块并按一定的原则加入到设备等待队列 5 5 2设备驱动程序为了控制I O传输 实现I O进程与设备控制器之间的通信 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 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 5 5 3I O中断处理程序设备控制器向CPU发送一个中断请求 CPU响应后便转向中断处理程序 处理来自设备或通道的中断 5 5 4I O操作过程请求I O的进程 I O过程 I O控制的接口程序 设备处理程序 中断处理程序 I O进程 几者之间关系如图 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 5 6典型外部设备5 6 1磁盘5 6 2时钟5 6 3终端5 6 4网络I O设备 5 6 1磁盘几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息 从存储角度 与内存比较起来 磁盘有三个主要的优点 可用的存储容量非常大价格非常低电源关掉后信息不会丢失 1 磁盘结构磁盘包括一或多个盘片每片两面 每面分成若干条磁道 一般为500 2000 磁道间留有间歇 每条磁道又被分成许多扇区 一般为10 100 扇区间留有间歇 每条磁道上扇区数目典型为8至32 每个扇区包含相同的字节数实际的硬盘都组织成许多柱面 磁盘格式化 见P172图5 22 2 RAM盘RAM盘的思想很简单 它使用预先分配的主存来存储数据块 RAM盘具有立即存取的优点 没有寻道和旋转延迟 适用于存储需要频繁存取的程序和数据 实现RAM盘的思想 根据为RAM盘分配内存的大小 RAM盘被分成n块 每块的大小与实际磁盘块的大小相同 当驱动程序接收到一条读写一块的消息时 它只计算被请求的块在RAM盘存储区的位置 并读出或写入该块 而不对软盘或硬盘进行读写 5 6 2时钟时钟 clock 又称为定时器 timer 1 时钟负责提供一天的时间 2 防止一个进程垄断CPU 1 时钟硬件两种类型 比较简单的时钟被连到110V或220V的电源线上 每个电压周期产生一个中断 频率是50Hz或60Hz 另一种时钟由三个部件构成 晶体振荡器 计数器和存储寄存器石英晶体产生的精确的周期信号 典型的范围是5到100MHz信号送到到计数器 使其递减计数至0 当计数器变为0时 产生一个CPU中断信号 2 时钟软件时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个中断 涉及时间的其他所有工作都必须由软件 时钟驱动程序完成 时钟软件功能 1 维护日期时间2 防止进程超时运行3 对CPU的使用情况记帐4 处理用户进程提出的ALARM系统调用5 为系统本身各部分提供监视定时器6 绘制CPU运行直方图 完成监视和统计信息收集 5 6 3终端每台计算机都配有一个或多个终端与之通信为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不同型号的终端不必重写 终端驱动程序隐藏了各种类型终端的差异 终端硬件 根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类 1 RS 232标准接口 2 存储映像终端RS 232终端由键盘和显示器构成 通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通信 这些终端使用25针的连接器 其中一针用于发送数据 一针用于接收数据 一针接地 其余22针用于各种控制功能 大部分未使用 计算机和终端以字符作为处理对象 而通信时却是通过串行口一次一位地进行需要完成字符到位串与位串到字符的转换 智能CRT终端实际是一微小型计算机它们带有一个CPU和存储器 通常在EPROM或ROM中存储了复杂的程序从操作系统的角度 玻璃终端和智能终端的主要不同点是 后者理解特殊的转义序列最高档的智能终