软件技术基础-OS设备管理课件(PPT 43页).ppt

2.5设备管理,2.5设备管理,设备管理是操作系统最基本、最繁杂的组成部分。且与硬件的关系最密切。,2.5.1设备管理概述,外设按功能分为两类,I/O设备存储设备,I/O设备输入设备模拟信号数字信号（A/D转换）输出设备数字信号模拟信号（D/A转换）,一、I/O设备及分类,存储设备存取控制部分（控制电路伺服系统、读写控制电路、磁头、光头等）信息载体（磁盘、磁带、光盘等）,按传输速度,低速：键盘、鼠标,中速：打印机,高速：磁盘,按信息交换单位,块设备：信息传输以块为单位,字符设备：信息传输以字节为单位,按分配方式,独占设备：在一段时间只允许一个进程访问的设备。打印机,共享设备：在一段时间允许多个进程同时访问的设备。磁盘,虚拟设备：将独占设备虚拟为多台虚拟设备,独占设备虚拟为共享设备,设备管理的基本任务是：（1）控制I/O操作，进行设备分配，提高CPU与设备之间的并行工作程度。协调和保证设备的高效工作。（2）向用户提供一个使用设备的方便接口。完成用户的I/O请求。,二、设备管理的任务和功能,设备管理的功能：建立统一的独立于设备的接口。按照设备类型和相应算法，进行设备的分配与回收。进行设备驱动，实现真正的I/O操作及设备间的并行操作。实现输入输出缓冲区管理，解决高速CPU与慢速设备速度不匹配问题。实现虚拟设备管理。,1.微机I/O系统CPU通过总线与设备控制器相连接，设备控制器是CPU与设备之间的接口。2.主机I/O系统使用I/O通道（I/O处理机），实现对设备控制器的控制。,三、I/O系统的结构,CPU,存储器,I/O设备,I/O设备,总线,高速,低速,1、微机I/O系统基于总线的微机硬件体系,设备控制器,设备控制器,共享总线,设备与CPU之间的通信通过设备控制器进行,2、主机I/O系统特点,CPU,主存,通道,通道,通道,通道,I/O设备,磁盘,磁带,通信设备,以通道代替CPU与设备控制器通信,通道可认为是特殊的处理器，各通道与CPU共享主存,设备控制器与通道,（1）设备控制器,位于CPU与设备之间，接收CPU下达的输入、输出命令并控制具体设备实现操作。,*功能,接收和识别命令,地址识别,命令接收,命令识别,数据交换,数据暂存、缓冲,监测设备状态,（2）通道,1、通道是一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力。通过执行通道程序来控制I/O操作,2、CPU只需向通道发出一条指令，通道便从内存中取出本次执行的通道程序，并执行。,通道程序可以包含多次输入、输出，是一个相对完整的过程,4、通道把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来,3、通道之间可以并行执行,2.5.2数据传送控制方式,（1）程序I/O方式（2）中断控制方式（3）DMA控制方式（4）通道控制方式,设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或CPU之间的数据传送，选择控制方式的原则是：保证在足够的传输速度下数据的正确传送。系统开销小。充分发挥硬件资源的能力。,本节讨论CPU通过设备控制器来控制数据I/O的方式。,常用的I/O控制方式,（1）程序I/O方式,（2）中断控制方式,结合进程调度机制，实现让权等待,进程利用中断实现输入、输出流程：,初始化,阻塞等待输入,控制设备完成输入,根据中断唤醒等待进程,设备产生输入中断,中断机制实现了CPU与设备的并行控制让权等待,CPU,输入：,其他进程,中断处理,继续,设备,等待数据,处理输入数据,被唤醒的等待进程,数据到设备,产生中断,暂不接收数据,清除中断,等待数据,一次I/O操作（1字节）完成，向CPU发中断信号，CPU作中断处理。效率虽然比程序I/O方式高，但还是不适宜需要交换大量数据的情况。,缺点：,（3）DMA方式,中断控制方式一般以字节为单位产生中断，每个字节在中断处理程序中，读入到CPU的寄存器中。直接存储器访问DMA（DirectMemoryAccess）方式的引入是为解决中断控制方式对块设备低效的问题。减少中断次数。,由于大多数的小型、微型计算机采用总线结构，DMA方式是“窃取”或“挪用”CPU总线的控制权，即要求CPU暂停若干总线周期，由DMA控制器占有存储器周期进行设备与内存之间的数据交换。,DMA方式的基本思想,（1）以数据块为单位进行数据传送。（2）设备与内存之间直接交换数据。,DR数据寄存器，暂时存放设备内存间传送的信息。MAR内存地址寄存器。DC传送字（节）数寄存器。CR命令/状态寄存器。接收从CPU发来的I/O命令、控制信息、设备状态。,主机-控制器接口控制器-块设备接口,DMA控制器的组成,DR,MAR,DC,CR,I/O控制逻辑,CPU,内存,命令,系统总线,DMA控制器,。,count,磁盘,源地址,数据,DMA工作过程,以磁盘数据输入为例预置DMA寄存器启动DMA，传送一个数据块睡眠并等待DMA传送结束I/O中断处理唤醒数据输入进程,DMA方式为成块传递，1、数据直接在DMA控制器控制下通过总线传递到内存中2、在完成指定量的数据接收后，DMA控制器才向CPU产生中断。3、通过中断处理程序可能唤醒等待数据的进程,减少CPU在数据传递过程中的干预,中断控制方式与DMA方式,CPU,总线,I/O设备,内存,中断,CPU,I/O设备,内存,DMA,通知已传输完毕,（4）通道控制,通道通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程,进一步减少CPU对输入输出过程的干预。,提高CPU与设备之间的并行性，提高资源利用率，提高系统吞吐量。,通道是一个独立于CPU的专门控制I/O工作的简单的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。,CCW的信息：操作码内存地址传送数据字节数通道程序结束位P（P=1结束）记录结束标志R,0指令处理同一记录1处理记录结束,通道（Channel）是比DMA方式更加完善，功能更强的I/O控制方式。DMA与通道方式的异同：相同：以内存为中心，实现设备与内存之间直接交换数据的控制方式。不同：通道是专门控制I/O的处理机。其指令称为通道控制字（CCW），由CCW编制的通道程序，独立执行I/O任务。,通道的控制过程：CPU启动通道通道程序的始址存放在称为通道地址字（CAW）的内存单元中，由CPU启动通道程序后，CPU可去执行其他任务。执行通道指令CCW，向设备控制器发出I/O操作命令。设备根据CCW将数据传送到内存指定单元。数据传送结束，I/O控制器向CPU发出中断请求命令。,按照信息交换方式分类：字节多路通道用于低、中速设备含多个非分配型的子通道，子通道按时间片轮转共享主通道。按字节传送。传输速度慢选择通道连接中、高速设备含一个分配型的子通道，一段时间内只能执行、控制一台设备工作。通道利用率低，传输速度快。数组多路通道连接中、高速设备,通道的类型,中央处理机,内存,字节多路通道,数组多路通道,选择通道,卡片输入机,卡片输入机,打印机,磁盘,磁带,通道结构,2.5.3缓冲技术,1缓解CPU与外设速度不匹配的问题。2减少CPU中断响应次数，放宽响应时间。缓冲一定数量的数据后才向CPU产生一次中断3提高CPU与I/O设备，I/O设备之间的并行操作能力。减少CPU在设备数据传输期的干预,一为什么引入缓冲技术,缓冲技术的基本思想：在内存中开辟一个或多个专用区域（缓冲区），作为CPU与I/O设备间信息的集散地。,速度1,速度2,1.单缓冲区（singlebuffer）在设备和主机之间设置一个缓冲区。只能缓解速度匹配的问题。不能实现设备之间的并行操作。,二、缓冲区的组织,设备以速率V向缓冲输入数据,缓冲区满后CPU以速率W读出数据,缓冲区处理完后再由设备输入数据,接收,解决了速率匹配问题,速度1,速度2,设备,CPU,同时,提高CPU与设备间的并行度,一般是建立两个大小相等的缓冲区，设备交替对两个缓冲区输入数据，操作系统也交替地从两个缓冲区移出数据送用户进程区。,2.双缓冲区（doublebuffer）,双向通信,接收,发送,CPU,设备1,设备2,CPU,3.多缓冲区与缓冲池（bufferpool）,可以实现多个外设并行工作及解决CPU的速度匹配问题。现行操作系统大都采用此结构。,三、缓冲池的管理,1.缓冲池的结构缓冲池由多个缓冲区构成。每个缓冲区又分为缓冲区首部和缓冲体。,设备号缓冲区号缓冲区地址缓冲区状态（忙/闲）数据块号互斥标识位设备缓冲队列指针,缓冲区首部,将缓冲区连接成三种队列：空缓冲区队列（emq）满输入缓冲区队列（inq）满输出缓冲区队列（outq）,有四类工作缓冲区：sin提取输入的工作缓冲区hin收容输入数据的缓冲区sout提取输出的工作缓冲区hout收容输出数据的缓冲区,（1）收容输入输入进程调用过程getbuf（emq），从空缓冲队列中申请一空缓冲区收容输入数据的缓冲区（hin）。从设备输入数据到hin。调用过程putbuf（inq，hin），将满缓冲区hin插入满输入缓冲区队列（inq）的队尾。,2.缓冲池管理方式,（2）提取输入当需要处理输入数据时，计算进程调用getbuf（inq），从满输入缓冲区队列（inq）的队首取出一缓冲区提取输入的工作缓冲区（sin）。计算进程从sin提取数据处理。调用过程putbuf（emq，sin），释放工作缓冲区sin，并插入空缓冲队列尾。,缓冲池管理过程（以输入为例）,缓冲输出过程（收容输出、提取输出）与输入类似。,输入输出设备,数据处理程序,hin,sout,sin,hout,inq,emq,outq,putbuf（inq，hin）,putbuf（emq，sout）,getbuf（inq）,getbuf（emq）,putbuf（emq，sin）,getbuf（outq）,getbuf（emq）,putbuf（outq，hout）,提取输入,提取输出,收容输入,收容输出,典型的缓冲池管理,收容输入,getbuf（emq）,hin,putbuf（inq，hin）,提取输入,getbuf（inq）,sin,putbuf（emq，sin）,2.5.4设备的分配,按一定算法进行设备分配,包括设备、设备控制器及通道,保证：,“有”用户能得到设备使用权。,“安全”用户使用设备是安全的。,讨论设备分配的数据结构，分配原则及分配算法。一、设备分配的数据结构,1.设备控制表DCT（DeviceControlTable）系统为每个设备配置了一张设备控制表，记录该设备的情况反映设备特性，设备与I/O控制器连接情况。,2.控制器控制表COCT（ControlerControlTable）系统为每个控制器都设置了一张用于记录本控制器情况的控制表。记录I/O控制器使用情况及与通道连接情况。（DMA无）,3.通道控制表CHCT（ChannelControlTable）每个通道都配有一张通道控制表。描述通道的使用情况。,4.系统设备表SDT（SystemDeviceTable）整个系统一张，记录已连接到系统中的设备情况，每个设备在SDT中占一表项。,设备分配的数据结构,设备分配的方式：静态分配一次分配所有需要的设备。不符合分配原则。动态分配进程执行过程中，按需分配。,设备分配总原则：充分发挥设备利用率，避免由于不合理分配引起进程死锁。具体考虑以下方面：1.设备的固有属性（独占、共享、虚拟）。2.设备分配算法（先来先服务、优先级）。3.设备分配的安全性（安全或不安全分配方式）。4.设备独立性（用户程序独立于使用的物理设备）。,二、设备分配的原则及方式,三、设备分配流程,进程P发出I/O请求,搜索SDT找到DCT指针,查DCT设备忙？,进程P按分配算法入I/O队列,Y,N,按分配算法选择进程,进程P选中？,进程P等待设备空闲,N,Y,检查设备分配的安全性,安全吗？,N,Y,设备分配给进程P,1,1,搜索DCT找到COCT指针,控制器忙？,Y,进程P等待控制器,N,分配控制器给进程P,搜索COCT找到CHCT指针,CHCT忙,Y,进程P等待通道,N,分配通道给进程P,启动I/O,多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。基本思想：用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢速度的独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台共享设备。,SPOOLing是一种典型的虚拟设备技术，SPOOLing是SimultaneousPeripheralOperationsOnLine（外围设备同时联机操作）的缩写，是用程序模拟脱机I/O的功能，故又称为假脱机技术。,2.5.5虚拟设备管理与SPOOLing技术,2.SPOOLing技术,1.虚拟设备管理,真脱机技术：输入、输出是脱离主机完成的。,靠外围机的控制输入、输出设备与磁盘交换数据。,CPU只与高速磁盘（磁带）交换数据,其它,输入井,输出井,高速,高速,假脱机技术,技术要点：,（1）多道程序并发执行,（2）一道程序模拟外围机的输入，将数据从设备输入到磁盘,（3）一道程序模拟外围机的输出，将数据从磁盘输出到设备,（4）其它程序与设备的通信和脱机方式一样：读写高速磁盘,（5）主机仍要控制外围设备“假脱机”,特点,（1）提高了进程访问低速设备速率,（2）独占设备成为虚拟设备,（3）独占设备成为共享设备,不与实际设备交互,磁盘是可共享的高速设备,SPOOLing系统的组成:输入井、输出井输入进程、输出进程I/O缓冲区,输入设备,输入设备,通道,以打印机为例，说明SPOOLing系统的工作过程：当进程请求打印输出时，OS并不是把设备分配给它。1、输出