第7章+设备管理.ppt

第7章设备管理，配置I/O软件I/O硬件功能概述技术设备如何处理常见外部设备，一，概述，1，I/O的特性(1)I/O性能经常成为系统性能的瓶颈CPU性能不等于系统性能响应时间CPU性能越高，与I/O的差距就越大：越大每个结构的I/o数据信号类型的速度差异很大。(3)了解I/O的工作流程和结构对于了解操作系统的工作流程和结构很重要的I/O技术很有用；(4)其他功能，特别是文件系统、1、I/O的特性；(1)按使用特征分类的存储类型设备输入设备(外围设备主机)输出设备(主机外围设备) (3)外部设备相关子系统设备是指在创建操作系统时在系统中注册的标准设备(例如终端、打印机、磁盘机等)，用户设备是指在创建系统时未在系统中注册的非标准设备，这些设备的处理程序由用户提供并包含在系统中，由系统管理。(A/D、D/A转换器、CAD专用设备等)；(4)从资源分配角度垄断设备，在一段时间内只能有一个进程使用的设备；通常，打印机、磁带等低速I/O设备在一段时间内可以有多个进程一起使用的设备；多个进程的资源利用率高，如硬盘驱动器，虚拟设备从一种类型的设备独占另一种类型的设备将缓慢的独占设备转换为可由多个用户共享的设备，提高设备的利用率(例如，使用SPOOLing技术、虚拟设备技术将I/o设备模拟为硬盘驱动器)，SPOOLing技术减少了单个设备的数量，速度慢，无法满足许多进程的要求。在设备利用率低的过程中提出的设备管理技术(5)从程序的使用角度来看，按逻辑设备、物理设备(6)数据速率进行高速设备、低速设备(7)接口进行用户交换：与显示器、键盘、鼠标、打印机等交换电子设备：与磁盘、磁带等通信：与远程设备通信设备驱动设备中断处理；缓冲区管理)，最终用户I/O请求已完成，3 .设备管理目标和操作、设备分配和回收记录设备的状态根据用户的请求和设备类型使用一定的分配算法，为完成设备驱动程序建立统一的、与设备无关的接口选择数据路径处理实际I/O操作处理外部设备的中断处理管理I/O缓冲区、功能、(2)为用户提供使用外部设备的便利接口，使用户摆脱繁琐的编程负担方便的接口透明性逻辑设备和物理设备、屏蔽硬件详细信息(设备的物理详细信息) 不同I/O之间的差异)，(3)充分利用不同的技术(通道、中断、缓冲等)，以提高CPU和设备、设备及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(设备已充分利用)，(4)在多个计划环境中，多个流程竞争使用设备时，根据特定策略分配和分配设备用户在请求使用设备时，无需指定特定的物理设备，只需指定设备类型。系统根据当前请求和设备分配情况，从同一类别的设备中选择可用设备，并将其分配给一个请求流程统一性。也就是说，对不同的设备执行一致的操作。在用户程序中使用逻辑设备的优点在于。如果设备忙或发生设备故障，用户无需修改程序即可提高系统的适应性和可扩展性。I/o软件的基本思想由分层思想组成；低级软件使高级软件独立于硬件的特性；高级软件是用户熟悉的、明确、简单、强大的界面；其次是I/O软件的组成；I/O软件的核心概念是设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上的文件的程序时，可以使用与设备独立性密切相关的统一命名目标，而无需对不同设备类型的程序进行修改。文件或设备的名称必须是简单的字符串或整数，并且不能依赖于设备。1.I/o软件的目标。错误处理是I/o软件的另一个目标。通常，数据传输中的错误应尽可能地在硬件层处理最后一个问题。可共享设备和独占设备的处理问题，2 .中断处理程序，它在每个进程启动I/o操作后完成I/o操作，由操作系统接管CPU，然后阻止进程，直到进程被唤醒，3 .设备类型每个控制器都有一个或多个设备寄存器，用于处理设备驱动程序、设备相关代码、每个设备驱动程序发送到设备的命令和参数。设备驱动程序将释放这些命令，并监督其正常运行。通常，设备驱动程序的任务是从与设备无关的高级软件接收抽象请求并执行此请求。设备驱动程序的进程释放一个或多个命令后，系统以两种方式进行处理，在大多数情况下，运行设备驱动程序的进程必须等待命令完成，因此在命令执行完毕后被阻止。在其他情况下，无需等待时间即可快速完成命令执行。4 .设备无关软件。I/o软件的一部分是设备特定的，但大多数软件是与设备无关的软件。设备驱动程序和与设备无关的软件之间的确切边界取决于特定的系统，1 .设备无关软件的基本任务是实现所有设备所需的功能，并为用户级软件提供集成接口。2.如何命名对象(如文件和设备)是操作系统的主要问题。设备独立软件负责将设备的符号名称映射到正确的设备驱动程序。3 .设备保护系统如何防止无权访问设备的用户访问设备？4。不同的磁盘可以使用不同的扇区大小。向高层软件隐瞒这一事实，提供大小均匀的块大小，这就是设备独立软件的工作。将多个扇区合成一个逻辑块。这样，无论物理扇区的大小如何，高级软件都只与抽象设备打交道，使用相同长度的逻辑块。5 .缓冲技术6。设备分配7。错误处理，5 .尽管操作系统中包含用户空间中的I/o软件、大多数I/o软件，但仍有一小部分是由与用户程序相关联的库进程或核心外部运行的程序组成的。系统调用(包括I/o系统调用)通常由库进程实现的任务包括：将用于系统调用的参数放在适当的位置，由其他I/o进程实际执行实际任务，(1)在用户进程级别执行I/o系统调用，格式化I/o数据，指定设备命名、设备保护、块处理、缓冲技术和设备分配，(3)设置设备驱动程序的设备寄存器设备配置I/o设备通常分为机器和电子两部分，分别处理这两部分，以实现更模块化、更一般的设计，3、I/O硬件特性，(1)物理设备机器部分称为设备本身(物理设备)(2)设备控制器电子部分称为设备控制器或适配器。在小型和小型计算机上，通常在计算机(接口)中使用印刷电路卡完成设备和主机之间的连接和通信。控制器卡通常具有插座，通过设备连接的控制器和设备之间的接口是符合国际标准(如ANSI、IEEE或ISO)的标准接口。一次I/O传输过程：后期处理准备示例：一台打印机上两个I/O设备寄存器状态寄存器数据寄存器、设备完成技术、4、设备相关技术、1。Spooling(虚拟设备)技术1个虚拟设备资源转换技术(使用空间作为输入、输出等CPU时间的回报)故障诊断：如果流程所需的物理设备不存在或已占用，请使用设备。(1)预输入器预输入器的任务是将作业的所有信息预先输入到磁盘上的输入井中，从而要求作业信息，如果作业执行过程中需要数据，则无需与输入器交互，直接从输入器中获取。可以避免使用输入机的等待。(2)缓慢输出程序缓慢输出程序总是定期检查输出井是否有等待输出的作业信息。如果存在，则运行输出设备(例如打印机)进行输出。因此，由于作业的输出信息临时保存在输出井中，因此如果输出设备为空，则在输出等待过程中不会发生阻止的作业。(3)井管理程序井管理程序分为井管理读取程序和井管理写入程序。当请求输入设备操作时，操作系统调用井管理读取程序，将使输入设备操作的操作转换为从输入井读取所需的信息。当作业请求打印输出时，操作系统调用井管理写入程序，将使输出设备工作的作业转换为输出井输出。如果进程打开打印机特殊文件后几小时内什么都不做，其他进程将无法打印任何内容！解决方法：创建守护程序(向导)进程，将要打印的文件放入SPOOLing目录工作流中的SPOOLing目录进程：只有允许打印特定文件的进程才能打印SPOOLing目录中的文件。该进程禁止直接对特定文件使用，提高使用效率，打印机的调度作业进程，(1)定义：通道是专门处理数据输入/输出传输操作的独立于CPU的处理器，它允许对控制输入/输出操作的外部设备(而不是CPU)进行集成管理，从而使输入和输出操作与CPU并行运行。通道程序可运行，2 .通道技术，(2)通道引入的目的是使CPU脱离I/O事务，同时提高CPU和设备之间的并行工作能力，(4)具有硬件连接结构，通道：执行通道程序，对控制器执行命令，以及向CPU发送中断信号。从CPU发出命令并启动通道后，通道将独立于CPU运行。一个通道可以连接多个控制器，一个控制器可以连接多个设备，主要用于启动外围设备。提高控制器效率提高可靠性提高并行度，交叉连接(5)通道工作机制通道就像一个简单的处理器(空操作、读操作、写操作、控制、传输操作)，包含通道命令，允许执行通过这些命令编写的通道程序DMA技术、内存和I/O设备之间的数据直接块传输CPU在启动时向设备发送“单个传输”命令，在关闭时进行适当处理；直接完成到DMA硬件DMA通过系统总线(而不是CPU)完成数据存储或可移除CPU不需要系统总线时，使用总线DMA，CPU可以暂时延迟其他操作并获取总线周期(周期盗用)；DMA中断处理次数由CPU控制执行，DMA方法不是由CPU控制，而是由CPU控制执行。如果没有DMA，如何读取磁盘？首先，控制器从磁盘驱动器中依次读取一个块，将全部信息放入控制器的内部缓冲区，第二次确保没有读取错误，并执行控制器产生中断的计算。CPU响应停止，控制权移交给操作系统。操作系统运行时，控制器缓冲区将反复读取有关此磁盘块的信息，一次读取一个字节或一个单词，然后将其发送到内存。DMA方法允许DMA控制器接管地址行的控制，直接控制DMA控制器和内存的数据交换。这允许在磁盘设备和调度程序之间进行数据传输，而无需CPU干预，从而减轻了CPU负担。使用DMA时，除了为控制器提供要读取的块的磁盘地址外，还为控制器提供两个信息。也就是说，每次磁盘在DMA硬件控制磁盘和存储之间交换信息时，读取块的起始地址和要传递的字节数，将数据读取到控制器数据缓冲区，DMA控制器将替换CPU，接管地址总线的控制，然后根据DMA控制器的内存地址寄存器内容将数据发送到相应的内存设备。然后，DMA硬件自动将传输字节计数器减少为1，将内存地址寄存器增加为1，恢复CPU的内存控制，对DMA控制器传输的每个数据重复上述过程，直到传输字节计数器为“0”。一旦操作系统控制了CPU，就不需要进行数据块复制。控制器根据指定的存储地址向主存储发送第一个字节，然后按指定的字节数发送数据。字节计数器值减1，直到字节计数器为零。控制器会中断操作系统，并通知操作已完成。CPU提供要读取的块磁盘地址目标存储地址要读取的字节数完整块数据读取缓冲确认、DMA操作示例(对于硬盘)、(1)引入缓冲技术在数据到达和离开速度不匹配的情况下，可以使用缓冲技术。作业系统使用缓冲功能，可减少CPU和外部装置之间速度不相符的问题、提高资源使用率减少I/O装置对处理器的中断要求次数、简化中断机制、降低系统超载、4。缓冲技术，(2)缓冲设置硬缓冲：在设备上设置缓冲，硬件实施软缓冲：在内存中打开空间并用作缓冲，(3)缓冲管理单缓冲双缓冲池：多个缓冲连接并统一管理，经常使用多个缓冲管理，(4)示例终端输入软件的键盘驱动操作之一：收集字符的两个常用字符设备分配和回收过程向系统发出I/O请求时，设备分配程序根据一定的策略分配设备、控制器和通道，从而形成主机和设备之间信息交换的数据传输路径；5；设备处理；设备独立性，即不影响设备的使用、故障或更换而影响程序运行；对用户屏蔽物理设备；向用户发出的简单逻辑设备抽象I/O操作；以及此外，操作系统还提供了一些I/o系统调用。将抽象I/O操作映射到专用设备驱动程序的系统，(1)数据结构：设备控制块设备控制表DCB(DCB)控制器控制块控制器控制表COCB(控制器控制表COCB)通道控制表CHC