操作系统设计与实现(第三章).ppt

OS的设计与实现，第三章输入输出系统，OS的功能，大部分花费在I/O设备的控制和管理上，负责为复杂的外部设备提供通用的简易接口。 分层管理外部机器，解决了各机器之间的相互作用和各自的输入输出操作。 每种类型的操作系统都是在管理I/O的基础上构建的。 *有许多专业领域的设备，包括发展历史、第一代替代键盘和打印机第二代鼠标和调制解调器(通称“猫”)第三代光笔和扫描仪。 *外部设备的分类，1 .按使用特性分类的存储型设备输入型设备(外围设备主机)输出型设备(主机外围设备)输入输出型设备，2 .按数据组织分类的块设备以块为单位存储信息，传输的文字设备以字符为单位存储信息，3 .按外部设备的从属关系分类的系统设备在生成os时， 在系统中注册的标准设备(终端、打印机、磁盘等)，用户设备是指在系统生成时未在系统中注册的非标准设备。 针对这种设备的处理程序由用户提供，并入系统中，由系统代替用户来管理。 (例如，A/D、D/A转换器、CAD专用设备)，4 .从资源分配的角度来看，垄断设备是一段时间只能使用一个流程的设备，一般是低速I/O设备。 (打印机、磁带等)共享设备可以在一段时间内具有在多个过程中共用的设备，并且具有高资源利用率，这是因为多个过程交叉地使用设备。 (例如硬盘)，虚拟设备在一种设备上模拟另一种设备，在共享设备上模拟独占设备，在高速设备上模拟低速设备，模拟设备称为虚拟设备(将低速独占设备称为多个用户为了提高设备的利用率)(如SPOOLing技术那样，使用虚拟设备技术在硬盘上模拟输入输出设备。 )轮询技术是提议的设备管理技术，以解决设备的独立数目少、速度慢、不能满足许多进程的要求，且设备使用低、同时进程独占设备时的问题。 5 .从程序使用的角度划分逻辑设备的物理设备和任务，*设备管理的目的和任务1 .根据用户的要求控制设备的各种操作，完成I/O设备和存储器之间的数据交换(包括设备分配和回收)。 设备驱动程序设备中断处理缓冲器管理)，最终完成用户的I/O请求，(1)为了进行数据传输操作而选择并分配I/O设备，(2)控制I/O设备和存储器间的数据交换，(2)对用户使用外部设备的便利使用户从繁杂的编程负担中解放出来的方便的接口透明度，3 .提高各种技术(通道、中断缓冲等) CPU与设备、设备和设备之间的并行作业能力，利用资源，提高资源利用率的并行性的均衡性(使设备很忙)，*I/O管理的重要性2 . 没有o设备的计算机像没有车轮的汽车一样2.I/O性能一直成为系统性能的瓶颈(1)CPU性能与系统性能不相等，响应时间也是重要的因素(2)CPU性能高，与I/O的差异大的互补：更多的进程(3)。 系统开销很大3 .操作系统庞大复杂的原因之一，资源多，复杂，合并，都来自I/O4。 理解I/O的工作过程和结构是理解操作系统的工作过程和结构的关键。4 .在多个程序环境中，如果多个进程冲突设备，则5 .与设备无关的(设备独立性)用户在创建程序时使用逻辑设备名，以确保按照一定的策略分配和管理各种设备，从而使系统能够有条不紊地工作。 转换为的用户仅指定装置类型，而不是在用户申请使用装置的情况下指定特定的物理装置，以确保系统可以实现与特定的物理装置独立的便利的使用装置，并且系统根据当前请求和装置分配的情况，在同一类型的装置中， 选择空闲设备并将其分配给申请过程，统一性：对不同设备采用统一的操作方式，在用户程序中使用逻辑设备，优点：如果设备繁忙或设备故障，用户可以不修改程序而进行系统设备管理的任务是根据用户的要求访问外部设备，系统按照一定的算法分配控制，用户无需在意设备的实际地址和控制指令。 尽量提高输入输出设备的利用率。 例如，主机和外围设备以及外围设备和外围设备之间的真正并行工作能力。 *设备管理功能设备的分配和回收记录设备的状态根据用户的要求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择数据路径，分配设备：按设备的种类和操作系统选择的算法进行分配。 控制并实现真正的输入输出动作，包括适当的通道、设备控制器的分配、对未分配的任务和怆业进行排队等。 管理输入输出缓冲区，包括控制通道过程、启动设备、及时响应、处理中断信号等。 例如，在逻辑名的管理、多个缓冲器的时分和串联并行操作、同种多个外部设备的平衡工作、避免“忙”和“闲”的几个大系统中实现虚拟设备技术(虚拟硬盘、虚拟存储器)。 3.1I/O硬件原理I/O设备因人而异，硬件设计者、硬件编程者和用户有不同的观点和见解，我们主要分析如何控制这些设备，并在设备之间协调工作在3.1.1I/O设备、Linux/UNIX中，I/O设备主要分为块设备和字符设备两种。 块设备将信息存储在可寻址的固定大小的块中。 块大小范围通常从512字节到32768字节。 特征：可以独立读写各个数据块-(与地址操作相关)字符设备可以接受和发送字符流。 主要设备有打印机、调制解调器等。 这是不合理的方法，例如时钟无法寻址、无法发送和接收字符流，但是，它可以分离控制不同I/O设备的操作系统的软件组件。 文件系统主要负责与磁盘相关的块设备。 3.1.2设备控制器、I/O设备一般由机械和电子两部分组成。 分开处理这两个部分，以提供更模块化、通用的设计：机械部分是设备本身*电子部分称为设备控制器或适配器。 在小型微机中，经常使用印刷电路卡插入计算机中。 控制器卡通常有插座，通过电缆连接到设备上。控制器和设备之间的接口是基于ANSI、IEEE、ISO等国际标准的标准接口。 关注点：不考虑如何对这个硬件进行程序设计，在设备内部如何使程序员工作：软件界面或硬件收到的指令，它完成的功能，错误信息等。 因此，我们关心的是控制器，它与操作系统有关，也就是我们必须分析的要点。 *设备接口的完整I/O传输过程由一系列信号组成，用于通过启动设备执行的操作并测试设备状态来监视设备操作的进度。I/O进程包括四个阶段： *准备*开始*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进行*设备连接模式是指I/O设备和CPU的连接方法，即计算机在特定连接模式下，从I/O设备到CPU的所有连接组件都构成I/O路径(I/O链)。 1、设备和主机之间最基本的连接方式4个要素：设备接口形式I/O命令形式I/O地址空间的分配和解码连接问题；(1)设备接口形式*端口地址的解码*按照主机和设备约定的形式和过程收发数据和信号的计算机设备计算机， *将计算机的数字信号转换为机械部分能识别的模拟信号，或者相反，(2)I/O命令形式和I/O地址相互关联，主要有两种形式：存储器映像I/O模式I/O专用命令，需要考虑的几个问题：设备完成技术：设备的一次I/O 编程CPU的I/O技术CPU自己完成I/O的启动和完成处理，自己在内存和设备之间物理传输所有数据，并进一步提高CPU的利用率： *尽可能避免I/O降低CPU利用率，并使CPU远离I/O 提高o本身的绝对速度*减少或缓和速度差距*cpu尽量使不等待I/O * CPU脱离I/o，*提高设备使用率*在设备和主机的硬连接中引入总线，节省连接，提供了扩展和更改配置的灵活性扩大设备和主机之间的相互适用范围-总线的引进，2 .总线将计算机系统内的各子系统(CPU、内存、外围设备等)相互连接并共享连接。 优点：低成本(常用于一线)的灵活性(容易增加设备，容易在两个计算机系统之间共享外围设备)，总线缺点：总线分类，其自身形成通信瓶颈，限制I/O吞吐量：数据总线、地址总线、控制总线、控制器即设备的电子部分设备与主机之间的连接和通信完成了CPU与控制器间的通信：单总线型号(微机，小型机)多总线型号(中，大型机)-I/O通道，控制器与设备的接口为低级别的接口： *例如，哈读取了位流，其中包括诸如盘数据、扇区大小、检查代码等的信息，一旦被读取，控制器将这些串行的位流转换和检查，最后加载到主存储器中。 *监视器上的显示是从内存中读取CRT终端控制器显示的文字字节流，生成调制放射线的信号，并显示结果。 控制器和CPU的连接各控制器中有用于与CPU通信的寄存器。 如果将这些寄存器放入内存中，就会变成内存图像I/O (这在显卡上特别突出)。 各控制器还可以利用终端通知CPU负责的任务的开始或结束。 即，固定设备中断。 CPU (nic、ISA端口的NIC等)通过将信息写入控制器寄存器来控制这些设备的操作。 DMA(directmemoryaccess )数据的存储器和I/O装置间的直接块传送CPU在开始时向装置发出“块传送”命令，在结束时进行对应的处理，实际的操作DMA硬件直接完成，DMA辅助很多控制器，特别是块设备控制器都支持DMA。 3.1.3直接访问内存。 例如，访问盘而不使用DMA的情况下，盘如何读：首先，控制器从盘驱动器一位一位读取块，将整个块的信息放入控制器的内部缓存器。 然后，为了验证没有发生读取错误而进行验证计算。 控制器会发生中断。 CPU响应中断，将控制传递给操作系统。 若操作系统开始运行，则从控制器缓冲器逐字地或者逐字地反复读取该盘块的信息，并发送到存储器，若采用DMA方式，则DMA控制器能够接管地址线的控制权，DMA控制器能够接管地址线的控制权。由此，在盘设备和存储器间的数据传输中不需要CPU的介入，在采用减轻了CPU负担的DMA的情况下，除了向控制器读出的块的盘地址以外，还提供向存储器发送块的开头地址和传送的字节数这两个信息在DMA硬件控制盘和存储器间的信息交换的情况下，每当盘将数据读入到控制器的数据缓冲器中时，DMA控制器就代替CPU继承地址总线的控制权，根据DMA控制器的存储器地址寄存器的内容并且，DMA硬件自动地减少1个传输字节计数器，增加1个存储器地址寄存器，DMA控制器对每个传输数据反复上述步骤，直到传输字节计数器成为“0”，使CPU产生中断信号。 如果操作系统接管CPU的控制权，则不再需要进行块复制操作。 使用DMA的优点：可以让控制器执行数据的初始收集检查，从而减轻设备间总线的控制权的冲突。 如果不使用DMA，总线的控制权必须被该控制器长时间获得，长时间的占有会阻塞其他任务，因此他们自己也因为传送和读取的速度的不同而使其结构设计复杂化。 通过这种内部缓冲机制，可以在开始DMA传输之前完全不使用总线，并且自然地简化了其设计。类共享区域的管理-磁盘块的交叉地址在从控制器向内存传输数据时，控制器自身也在读取扇区上的信息时，控制器可以视为共享区域，引起竞争。 此时，只能满足磁盘到控制器，或控制器到内存中的任一个。 即使存储器中有数据，在需要读取数据的情况下，一定会发生数据丢失的状况，需要避免以每隔一个块读取一个(由于硬盘连续旋转，无法停止)或者一些情况的方法。 另外，在对a图进行寻址的情况下，控制器必须以只能以隔一个块读取的速度读取完整的信息，盘必须旋转8周，在该情况下，b图仅旋转2周，在c图中，主要从控制器到存储器的数据传送从硬盘传送到存储器。 未编码的单交叉编码、双交叉编码、相关技术信道技术：定义：信道是独立于CPU负责数据的输入输出传送的处理器，统一管理外部设备，代替CPU控制输入输出动作，从而使输入、输出动作与CPU并行动作实施通道的目的：为了将CPU从I/O事务中释放，同时提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力。 分类1 )字节复用信道字节复用信道以字节为单位传送信息，能够时分执行多个信道程序。 如果一个通道程序控制一个设备传输一个字节，则通道硬件将执行另一个通道程序，而另一个设备控制信息的传输。 主要连接以字节为单位的低速I/O设备。 打印机、终端等。 以字节为单位交叉传输，一个传输字节一旦传输，就立即传输到另一个传输字节。 2 )所选择的信道选择信道以组方式工作，即一次传输一批数据，因此传输速度高。 如果选择一个通道，则在一段时间内只能执行一个通道程序，而只允许传输数据的设备。 完成此设备的数据传输后，请选择连接到通道的另一设备，并运行适当的通道程序。 主要连接磁盘、磁带等高速I/O设备。 3 )对多信道进行分组具有以下优点：如果信道传输速率高，则能够时分并行操作选择字节多信道。 对一个设备执行通道命令，然后自动传输，对另一个设备执行通道命令。 主要通过连接高速设备，可以对连接多个磁盘驱动器的阵列的多通道同时执行臂的定位操作，然后交替传输一系列数据。数据复用通道实际上是在通道程序中使用多个程序设计的硬件实现。 3.2I/O软件的原理，I/O软件的基本思想由层次性思想构成，低级软件使高级软件独立于硬件的特性，高级软件必须为用户提供友好、明了、简单、功能性的接口3.2.1I/O软件的目标设计I/O软件时的一个重要概念是设备独立性。 用户在编写使用软盘或硬盘上的文件的程序时，不需要考虑设备的种类和特性。 *设备独立性：与设备独立性密切相关的是统一命名的目标。