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操作系统的功能 处理机管理存储管理设备管理文件管理 硬件资源的管理 软件资源的管理 第八章 设备管理 主要内容 设备管理的概述设备的分类设备管理的功能 任务设备控制器数据传送控制方式程序直接控制方式中断控制方式 方式通道方式 设备管理的概述 主要内容 设备的分类设备管理的功能 任务设备控制器 设备的分类 在计算机系统中 除了CPU和内存之外 其他的大部分硬设备称为外部设备 发展 早期的计算机系统由于速度慢 应用面窄 外部设备主要为 纸带 卡片等 管理程序也较简单 目前由于个人计算机 工作站以及计算机网络系统等的发展 外部设备开始走向多样化 复杂化和智能化 管理程序也较复杂 外部设备的分类 按使用特性按从属关系按共享属性按传输速率 1 按设备的使用特性可分为 存储设备 输入输出设备 终端设备以及脱机设备 如图 2 按照从属关系 可分为 系统设备 用户设备 分类 3 按照共享属性分类 独享设备 共享设备 虚拟设备 按传输速率分类高速设备 中速设备 低速设备 NEXT 雷达枪 系统设备 系统标准配制的设备 用户设备 除标配设备外 用户自己根据个人需要配备的设备 系统设备 用户设备 独享设备 概念 在一段时间内只允许一个进程访问的设备 共享设备 概念 在一段时间内 允许多个进程同时访问的设备 虚拟设备 概念 人们借助于软件的手段 构造出来的设备 借助于软件的手段将独享设备改造成共享设备的设备 十万 设备管理的功能 任务 设备管理的主要任务 1 选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作 2 控制输入输出设备和CPU之间数据交换 3 为用户提供友好的透明接口 把用户和设备硬件特性分开 4 提高设备和设备之间 CPU和设备之间 以及进程和进程之间的并行操作度 以使操作系统获得最佳效率 为了完成上述主要任务 设备管理程序一般要提供下述功能 设备控制器 设备控制器 单总线 多总线 8 2数据传送控制方式 选择和衡量控制方式的原则 1 数据传送速度足够高 又不丢失数据 2 系统开销小 3 能充分发挥硬件资源的能力 使得I O设备尽量忙 而CPU等待时间少 数据传送控制方式分类 程序直接控制方式 在早期的计算机系统中 由于无中断机构 处理机对I O设备的控制 采取程序I O方式 程序直接控制方式 概念 就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送 这种方式的控制者是用户进程 实现步骤 1 当用户进程需要数据时 它通过CPU发出启动设备命令 2 用户进程进入测试等待状态 在等待时间内 CPU不断地用一条测试指令检查描述外围设备的工作状态 3 当CPU检测到控制状态寄存器为完成状态 也就是该寄存器发出 Done 信号之后 设备开始往内存或CPU传送数据 测试语句 注意 在外设准备的过程中 CPU不断的发出测试信号 在CPU与外围设备之间传送数据时 输入设备每进行一次操作 首先把所输入的数据送入该寄存器 然后 CPU再把其中数据取走 程序直接控制方式的优点 优点 实现简单不需要硬件的支持 程序直接控制方式的缺点 1 在程序I O方式中 由于CPU的高速性和I O设备的低速性 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I O设备完成数据I O的循环测试中 造成对CPU的极大浪费 2 CPU和外围设备只能串行 3 无法实现设备的并行 中断方式的控制方式 在现代计算机系统中 对I O设备的控制 广泛采用中断驱动方式 中断方式的控制方式 在I O设备输入每个数据的过程中 由于无须CPU干预 因而可使CPU与I O设备并行工作 仅寄存器数据装满之后 才需CPU花费极短的时间去做些中断处理 不需要CPU循环的测试 使用中断方式的数据输入步骤 1 进程需要数据时 通过CPU发出 Start 指令启动外围设备 2 在进程发出指令启动设备之后 该进程放弃处理机 等待输入完成 进程调度程序调度其他就绪进程占据处理机 3 当输入完成时 I O控制器向CPU发出中断信号 CPU在接收到中断信号之后 中断处理程序对数据传送工作 4 唤醒等待输入的进程 使其处于就绪态 5 CPU返回先前执行的进程 等待 就绪 执行 等待 注意 在CPU向设备发出 start 信号后 需要数据的进程放弃CPU的资源 由执行态转入到等待态 寄存器满时发出中断的信号 当CPU执行完中断程序后 唤醒等待的进程 该进程由等待态转为就绪态 CPU并返回先前的进程 中断方式的控制方式的优点 1 设备和CPU间的并行操作2 设备与设备间的并行操作3 可使CPU和I O设备都处于忙碌状态 从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量 中断方式的控制方式的缺点 1 每向内存输入一次都需要中断 因此 在数据传送过程中 中断处理将耗去大量的CPU处理时间 2 如果中断次数的急剧增加而造成CPU无法响应中断和出现数据丢失现象 3 如果外围设备的速度非常高 则可能造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失 DMA方式 直接存储器存取的方式 DMA方式 直接存储器存取的方式 基本思想 在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路 内存 寄存器 外设 特点 DMA控制器可用来代替CPU控制内存和设备之间进行数据交换 传送开始时需要CPU的启动指令和在传送结束时需发中断通知CPU进行中断处理之外 不再像中断控制方式时那样需要CPU的频繁干涉 DMA方式的数据输入处理步骤 1 当进程要求设备输入数据时 CPU发出启动外设的信号并把准备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数等信息分别送入DMA控制器 启动设备 2 要求发送数据的进程进入等待状态 进程调度程序调度其他进程占用CPU 3 输入设备将数据源源不断地写入内存 直到所要求的字节全部传送完毕 4 DMA控制器在传送字节数完成时发出中断信号 CPU在接收到中断信号后转中断处理程序进行善后处理 CPU将等待的进程唤醒 5 中断处理结束时 CPU返回被中断进程继续执行 寄存器地址加1 字符计数器减1 start 执行 等待 等待 就绪 DMA方式与中断方式的主要区别 1 中断方式时是在数据缓冲寄存器满之后发中断要求CPU进行中断处理 而DMA方式则是在所要求转送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理 这就大大减少了CPU进行中断处理的次数 2 中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的 而DMA方式是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的 这就排除了因并行操作设备过多时CPU来不及处理或因速度不匹配而造成数据丢失等现象 3 DMA方式较之中断驱动方式 又是成百倍地减少了CPU对I O的干预 进一步提高了CPU与I O设备的并行操作程度 DMA方式的缺点 1 使用多个DMA控制器的同时使用使我们对外围设备的管理的控制也就愈来愈复杂 2 多个DMA控制器的同时使用也是不经济的 通道控制方式 通道控制方式 通道是通过执行通道程序 并与设备控制器来共同实现对I O设备的控制的 通道控制方式与DMA方式相似点 设备和内存直接交换数据的控制方式 数据传输的过程中不需要CPU的干预 通道方式与DMA方式不同点 在DMA方式中 数据的传送方向 存放数据的内存始址以及传送的数据块长度等都由CPU控制 而在通道方式中 这些都由专管输入输出的硬件 通道来进行控制 DMA方式时每台设备至少一个DMA控制器 通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与内存进行数据交换 从而 增加了计算机系统的并行工作程度 通道的定义 通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机 它控制设备与内存直接进行数据交换 它有自己的通道指令来控制数据的传送 在操作结束时向CPU发中断信号 基本思想 在通道控制方式中 CPU只需发出启动指令 该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行 其他的方面由通道自己控制 交换数据在内存中应占据的位置 传送方向 数据块长度以及被控制的I O设备的地址信息 特征信息 通道控制方式的数据输入处理过程 1 当进程要求设备输入数据时 CPU发Start指令指明I O操作 设备号和对应通道 2 对应通道接收到CPU发来的启动指令Start之后 把存放在内存中的通道指令程序读出 3 设备根据通道指令的要求 完成数据的传送 4 若数据传送结束 发出中断信号请求CPU做中断处理 唤醒等待的进程 5 中断处理结束后CPU返回被中断进程处继续执行 通道指令 通道指令所包含的内容 操作码 它规定了指令所执行的操作 内存地址计数 表明本条指令所要读 或写 数据的字节数 通道程序结束位P记录结束标志位R 例如 通道指令在进程要求数据时由系统自动生成write002501850write11250720表示 把一个记录的500个字符分别写入从内存地址1850开始的250个单元和从内存地址720开始的250个单元中 其中假定write操作码后的 1 是通道指令结束标志 而另一个 1 则是记录结束标志 该指令中省略了设备号和设备特征 通道的分类 按照信息交换方式不同可分为 字节多路通道数组多路通道选择通道 字节多路通道 以字节为单位传送数据 它主要