设备管理综合概述(ppt 87页)

1、23:2023:20第五章第五章 设备管理设备管理5. 1 概述概述5. 2 I/O软件软件5. 3 I/O系统系统硬件硬件5. 4 有关技术有关技术5. 5 设备处理设备处理5. 6 典型外部设备典型外部设备 23:2023:205.1 5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 I/OI/O管理的重要性管理的重要性1. 1. I/OI/O设备就像计算机系统的五官和四肢设备就像计算机系统的五官和四肢2. 2. I/OI/O性能经常成为系统性能的瓶颈性能经常成为系统性能的瓶颈(1)(1)CPUCPU性能不等于系统性能性能不等于系统性能, ,响应时间也是一个重要因素响应时间也是一个重要因素(2)(2

2、)CPUCPU性能越高，与性能越高，与I/OI/O差距越大差距越大 弥补：更多的进程弥补：更多的进程(3)(3)进程切换多，系统开销大进程切换多，系统开销大23:2023:203.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23:2023:205.1.2 5.1.2 设备的分类设备的分类1.1.按使用特性分按使用特性分 . .存储型设备存储型设备 . .输入输出型设备（交互型设备）输入输出型设备（交互型设备） . .终端设备终端设备 . .脱机设备脱机设备23

3、:2023:202.2.按数据组织分按数据组织分 块设备块设备以数据块为单位存储、以数据块为单位存储、 传传输信息，如磁盘，磁带。输信息，如磁盘，磁带。 字符设备字符设备以字符为单位存储、传输以字符为单位存储、传输信息，如打印机，终端。信息，如打印机，终端。23:2023:203.3.按外部设备的从属关系分按外部设备的从属关系分 系统设备系统设备指操作系统生成时，登记在系统中指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等）的标准设备。（如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备用户设备指在系统生成时，未登记在系统中指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程

4、序由用的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。（如施管理。（如A/DA/D，D/AD/A转换器，转换器，CADCAD所用专用所用专用设备）设备）23:2023:204.4.从资源分配角度分从资源分配角度分 独占设备独占设备在一段时间内只能有一个进程使用在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速的设备，一般为低速I/OI/O设备。（如打印机，设备。（如打印机，磁带等）磁带等） 共享设备共享设备在一段时间内可有多个进程共同使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，用的设备，

5、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）其资源利用率高。（如硬盘）23:2023:20虚拟设备虚拟设备在一类设备上模拟另一类设备，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备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。拟设备。 目的：将慢速的独占设备改造成多个用户目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率可共享的设备，提高设备的利用率（实例：（实例：SPOOLingSPOOLing技术，利用虚设备技术技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备）用硬盘模拟输入输出设备）

6、23:2023:205.5.从程序使用角度分从程序使用角度分 逻辑设备逻辑设备 物理设备物理设备6.6.按数据传输率分按数据传输率分 高速设备高速设备 低速设备低速设备23:2023:205.1.3 5.1.3 设备管理的目标和任务设备管理的目标和任务1.1.按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/OI/O设备与内存之间的数据交换（包括设备分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），最终完成用户的冲区管理），最终完成用户的I/OI/O请求请求23:2023:20设备

7、管理功能：设备管理功能：（1 1）设备分配与回收）设备分配与回收 记录设备的状态，根据用户的请求和设备记录设备的状态，根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择一条数的类型，采用一定的分配算法，选择一条数据通路据通路 。（2 2）建立统一的独立于设备的接口）建立统一的独立于设备的接口（3 3）完成设备驱动程序，实现真正）完成设备驱动程序，实现真正的的I/OI/O操作操作（4 4）处理外部设备的中断处理）处理外部设备的中断处理（5 5）管理）管理I/OI/O缓冲区缓冲区23:2023:202.2.向用户提供使用外部设备的方便接口，使向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户用户 摆脱繁琐

8、的编程负担摆脱繁琐的编程负担 方便性方便性 友好界面友好界面 透明性透明性逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备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，不同的物理细节，错误处理，不同I/OI/O的差异性）的差异性）23:2023:203.3.充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高提高CPUCPU与设备、设备与设备之间的并行工与设备、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。作能力，充分利用资源，提高资源利用率。 并行性并行性 均衡性（使设备充分忙碌均衡性（使设备充分忙碌）23:2023:204.4.保证在多道程序环

9、境下，当多个进程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管理各种设备，使系统能有条不紊地工作。工作。5.5.保护保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的。不被破坏的、保密的。23:2023:206 6. .设备独立性设备独立性 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，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由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换（实际设备）的转换 用户能独立于具体物理设备而方便的用户能独立于具体物理设备而方便的使

10、用设备使用设备23:2023:205.1.4 5.1.4 I/OI/O技术技术I/OI/O控制方式控制方式：程序：程序I/OI/O方式、中断方式、方式、中断方式、通道方式、通道方式、DMADMA方式。这也是数据传送控方式。这也是数据传送控制的四种方式。制的四种方式。I/OI/O控制功能控制功能： 解释用户的解释用户的I/OI/O系统调用；系统调用； 设备驱动；设备驱动； 中断处理。中断处理。23:2023:205.5.2 2 I/OI/O软件软件 I/OI/O软件的基本思想是按分层的思想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构成，较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性，较

11、高层软件则独立于硬件的特性，较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口。简单的、功能更强的接口。23:2023:205.5.2 2.1 .1 I/OI/O软件的目标软件的目标 在设计在设计I/OI/O软件时的一个关键概念是设备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。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与设备独立性密切相关的是统一命名这这一目标一目标。一个文件或一个设备的名字只。

12、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，不应是一个简单的字符串或一个整数，不应依赖于设备。应依赖于设备。23:2023:20 出错处理是出错处理是I/OI/O软件的软件的另一个目标另一个目标。一。一般来说，数据传输中的错误应尽可能般来说，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最后一个问题是可共享设备和独占设备的处理问题的处理问题23:2023:205.2.2 5.2.2 中断处理中断处理 每个进程在启动一个每个进程在启动一个I/OI/O操作后阻塞操作后阻塞 直到直到I/OI/O操作完成并产生一个中断操作完成并产生一

13、个中断 由操作系统接管由操作系统接管CPUCPU后唤醒该进程为止后唤醒该进程为止5.2.3 5.2.3 设备驱动设备驱动 与设备密切相关的代码放在设备驱动程序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中，每个设备驱动程序处理一种设备类型。型。23:2023:20 5 5.2.4 .2.4 与设备无关的软件与设备无关的软件 虽然虽然I/OI/O软件中一部分是设备专用的，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。界限是依赖于具体系统的。

14、23:2023:2023:2023:20 1.1.独立于设备的软件的基本任务是实现所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。件提供一个统一的接口。 2. 2.如何给文件和设备这样的对象命名是操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软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上。的设备驱动上。 3. 3.设备保护设备保护 系统如何防止无权存取设备的用户存取系统如何防止无权存取设备的用户存取设备呢？设备呢？23:202

15、3:20 4.4.不同的磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较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。寸而使用等长的逻辑块。 5. 5.缓冲技术缓冲技术 6. 6.设备分配设备分配 7. 7.出错处理出错处理 23:2023:20 5 5.2.5 .2.5 用户空间

16、的用户空间的I/OI/O软件软件 尽管大部分尽管大部分I/OI/O软件都包含在操作系统中，但仍有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，包括至完全由运行于核外的程序构成。系统调用，包括I/OI/O系统调用，通常由库过程实现。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，由其它的放在合适的位置，由其它的I/OI/O过程实现真正的操作。过程实现真正的操作。23:2023:2023:2023:20

17、（1 1）用户进程层执行输入输出系统调用）用户进程层执行输入输出系统调用，对，对I IO O数据进行格式化，为假脱机输入输出作数据进行格式化，为假脱机输入输出作准备准备（2 2）独立于设备的软件实现设备的命名、设备）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的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配（3 3）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备）设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态的执行状态（4 4）中断处理程序负责）中断处理程序负责I IO O完成时，唤醒设备完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理驱动程序进程，进行中断处理（5 5）硬件层实现物理）硬件层

18、实现物理I IO O的操作的操作23:2023:205.35.3 I/OI/O系统系统硬件硬件5.3.1 5.3.1 设备组成设备组成 I/OI/O设备一般由机械和电子两部分组成，把这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，更加通两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计。用的设计。I/OI/O设备特点：设备特点： （1 1）操作异步性）操作异步性 （2 2）设备自治性）设备自治性 （3 3）接口通用性）接口通用性23:2023:20 1.1.物理设备物理设备 机械部分是设备本身（物理装置）机械部分是设备本身（物理装置）2.2.设备控制器设备控制器 电子部分

19、叫做设备控制器或适配器。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在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中。入计算机中。 控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备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相连。控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合口，它符合ANSIANSI、IEEEIEEE或或ISOISO这样的国际标准。这样的国际标准。23:2023:205.3.2 5.3.2 设备接口设备接口 一次完整的一次完整的I/OI/O传送过程，典型地由一长列低传送过程，典型地由一长列低级信号组成，这些信号启动设备所执

20、行的操作，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并通过测试设备状态来监控设备操作的进展 一个一个I/OI/O过程由四步组成：过程由四步组成： 准备准备 启动启动 测试和等待测试和等待 结果检查和错误处理结果检查和错误处理 通过对设备接口寄存器组的通过对设备接口寄存器组的读写完成读写完成 设备接口复杂繁琐设备接口复杂繁琐23:2023:205.3.3 5.3.3 设备连接模式设备连接模式 指指I/OI/O设备与设备与CPUCPU之间的连接方式，亦即将设备之间的连接方式，亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式。在一个确定连接到一个计算机系统上的方式。在一个

21、确定的连接模式下，的连接模式下，从从I/OI/O设备到设备到CPUCPU间的所有连接间的所有连接成分构成了一成分构成了一条条I/OI/O路径路径（I/OI/O链）链）1.1.总线总线 将计算机系统中的各个子系统（将计算机系统中的各个子系统（CPUCPU、内存、内存、外设等）相互连接，且连接是共享的线路。分外设等）相互连接，且连接是共享的线路。分为数据总线、地址总线、控制总线为数据总线、地址总线、控制总线 2.2.控制器（适配器）控制器（适配器） 电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯23:2023:2023:2023:2023:2023:203.3.DMA

22、DMA 数据在内存与数据在内存与I/OI/O设备间的直接成块传送。操作由设备间的直接成块传送。操作由DMADMA硬硬件直接完成。如下图所示：件直接完成。如下图所示： 当当DMADMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时，每当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，磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，DMADMA控制控制器取代器取代CPUCPU，接管地址总线的控制权，并按照接管地址总线的控制权，并按照DMADMA控制器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，中。然后，DMAD

23、MA硬件自动地把传送字节计数器减硬件自动地把传送字节计数器减1 1，把存，把存储器地址寄存器加储器地址寄存器加1 1，并恢复，并恢复CPUCPU对内存的控制权，对内存的控制权，DMADMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字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节计数器为“0”“0”时，向时，向CPUCPU产生一个中断信号。当操作产生一个中断信号。当操作系统接管系统接管CPUCPU控制权时，再无需做块复制的工作了。控制权时，再无需做块复制的工作了。23:2023:20寄存器寄存器23:2023:20CPU向控制器发出启动向控制器发出启动DMA通知和有关参数通知和

24、有关参数控制器向内存发出询问请求控制器向内存发出询问请求访问内存（读、写）访问内存（读、写）计数器减计数器减1发中断发中断NYDMA的实现流程的实现流程结束否结束否23:2023:205.4 5.4 设备有关技术设备有关技术5.4.1 5.4.1 通道技术通道技术1.1.定义：通道是独立于定义：通道是独立于CPUCPU的专门负责的专门负责数据输入数据输入/ /输出传输工作的处理机，对输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替外部设备实现统一管理，代替CPUCPU对输对输入入/ /输出操作进行控制，从而使输入输出操作进行控制，从而使输入/ /输出操作可与输出操作可与CPUCPU并行操作。

25、通道相当并行操作。通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道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），并可执行用这些指制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序。令编写的通道程序。 23:2023:203. 3. 分类分类1) 1) 字节多路通道字节多路通道 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

26、制另一台设备传转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息送信息 主要连接以字节为单位的低速主要连接以字节为单位的低速I/OI/O设备。设备。如打如打印机，终端。印机，终端。 2.2.引入通道的目的引入通道的目的 为了使为了使CPUCPU从从I/OI/O事务中解脱出来，同时为了事务中解脱出来，同时为了提高提高CPUCPU与设备，设备与设备之间的并行工与设备，设备与设备之间的并行工作能力。作能力。23:2023:20 2)2)选择通道选择通道 选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一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。选择通道在一段时批数据，故传送速度很高。选择通道

27、在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备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，磁带等高速主要连接磁盘，磁带等高速I/OI/O设备设备23:2023:20 3)3)成组多路通道成组多路通道 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，为另一台执行

28、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设备执行一条通道指令 主要连接高速设备主要连接高速设备 执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPUCPU发中断信号的功能。发中断信号的功能。 一旦一旦CPUCPU发出指令，发出指令，启动通道，则通道独立于启动通道，则通道独立于CPUCPU工作。一个通道工作。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。备，形成树形交叉连接。 23:2023:2023:2023:20交叉连接交叉连接23:2023:205.4.2 5.4.2 Spoo

29、lingSpooling技术技术 SpoolingSpooling（SimultaneausSimultaneaus PeriphernalPeriphernal Operating On-LineOperating On-Line）技术是以通道为基础，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、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。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中的一道程序模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速功

30、能，把低速I/OI/O设备上的数据传送到高速磁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。这样就缓和了低速输出设备上。这样就缓和了CPUCPU的高速性的高速性与与I/OI/O的低速之间的矛盾的低速之间的矛盾。23:2023:20SpoolingSpooling系统主要功能系统主要功能 将输入设备上的信息写到辅存输入井上；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；系统或用户程序从输入井中读信息； 系统或用户程序将数据写到输

31、出井中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。将从输出井中数据交给慢速输出设备。23:2023:205.4.3 5.4.3 DMA DMA 技术技术 DMA (direct memory access)DMA (direct memory access)方式与中断方式方式与中断方式的主要区别的主要区别 中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，求，CPUCPU进行中断处理；进行中断处理；DMADMA方式则是在所要求方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求传送的数据块全部传送结束时要求CPUCPU进行中断进行中断处理，大

32、大减少了处理，大大减少了CPUCPU进行中断处理的次数。进行中断处理的次数。 中断方式的数据传送是由中断方式的数据传送是由CPUCPU控制完成的；控制完成的； 而而DMADMA方式方式则是在则是在DMADMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPUCPU控制完成的。控制完成的。23:2023:20控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存，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，然后，按指定字节数进行数据传送，每当传送一个字节后，字节计数器值减每当传送一个字节后，字节计数器值减1 1，直到字节计数器等于，直到字节计数器等于0 0此时，控制器引发

33、中断，通知操作系统，操作完成。此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成。CPUCPU提供提供被读取块磁盘地址被读取块磁盘地址目标存储地址目标存储地址待读取字节数待读取字节数整块数据读进缓冲区整块数据读进缓冲区核准校验核准校验DMADMA工作示例工作示例（以硬盘为例）（以硬盘为例）23:2023:20DMADMA工作原理工作原理 存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数 送入送入DMADMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器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中断允许位和启动位置成1 1，启动设备，启动设备 发出传输要

34、求的进程进入等待状态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执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据CPUCPU 输入设备不断窃取输入设备不断窃取CPUCPU工作周期，数据不断写入内存工作周期，数据不断写入内存 传送完毕，发出中断信号传送完毕，发出中断信号 CPUCPU接到中断信号转入中断处理程序处理接到中断信号转入中断处理程序处理 中断处理结束，中断处理结束，CPUCPU返回原进程或切换到新的进程返回原进程或切换到新的进程23:2023:205.4.4 5.4.4 缓冲技术缓冲技术1. 1. 缓冲（缓冲（BufferBuffer）技术的引入技术的引入 凡是凡是

35、数据到达数据到达和和离去离去速度不匹配的地方均可采速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。用缓冲技术。 在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的I/OI/O操作，以缓解操作，以缓解CPUCPU与外部设备之间速度不匹配与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率。的矛盾，提高资源利用率。缓冲技术缓冲技术 减少了减少了I/OI/O设备对处理器的中断请求次数设备对处理器的中断请求次数 简化了中断机制简化了中断机制 节省了系统开销节省了系统开销23:2023:202.2.缓冲区设置缓冲区设置 硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现 软缓

36、冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区3.3.缓冲区管理缓冲区管理 单缓冲单缓冲 双缓冲双缓冲 缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理，构成缓冲池：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。缓冲区，避免内存的大量消耗。23:2023:204.4.CPUCPU高速缓冲高速缓冲 在计算机中，为了减少在计算机中，为了减少CPUCPU的等待时间，必须的等待时间，必须提高系统主存储器的响应速度提高系统主存储器的响应速度 为此使用了高速缓存，用来存储为此使用了高速缓存，用来存

37、储CPUCPU常用的代常用的代码和数据信息码和数据信息 在主存和在主存和CPUCPU通用寄存器之间设置一个高速的容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附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供器，供CPUCPU在一段时间内使用。这对提高运行速在一段时间内使用。这对提高运行速度有很大的作用。度有很大的作用。23:2023:20高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比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例的映射关系，一般规定高

38、速缓冲与内存的空间比为为4 4：10001000，即，即128128kB kB 高速缓冲可映射高速缓冲可映射3232MBMB内存，内存， 256256kB kB 高速缓冲可映射高速缓冲可映射6464MBMB内存。内存。缓冲技术与虚拟设备技术的区别：缓冲技术与虚拟设备技术的区别： 目的不同目的不同 前者解决速度匹配问题，后者将独占设备转化前者解决速度匹配问题，后者将独占设备转化为共享设备。为共享设备。 存贮空间不同存贮空间不同 前者使用内存，后者使用外存。前者使用内存，后者使用外存。23:2023:205.4.5 5.4.5 总线技术总线技术 新一代计算机出现，带来了总线技术的更新。新一代计算机

39、出现，带来了总线技术的更新。1.1.总线的基本概念总线的基本概念 在计算机系统内各种子系统，如在计算机系统内各种子系统，如CPUCPU、内存、内存、I/OI/O设备等之间，构建公用的信号或数据传输设备等之间，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。通道，这种可共享连接的传输通道称为总线。23:2023:20总线的分类总线的分类CPU-内存总线内存总线I/O总线总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线（非本课程范围）（非本课程范围）2. 2. 总线的分类总线的分类23:2023:20微型计算机微型计算机总线的种类和发展总线的种类和发展PCXT总线总线ISA总线

40、总线MCA总线总线EISA总线总线VESA总线总线 PCI总线总线USB总线总线.(过时过时)1394总线总线SCSI总线总线23:2023:20 3. 3. USBUSB技术技术USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是通用串行总线，是一种连接一种连接I/O串行设备的技术标准。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：冲破了计算机技术发展的两个历史局限性： （1）由于）由于I/O设备的接口标准的不一致和有限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；的接口数量已无法满足各种应用迫切需要； （2）传统的）传统的I/O设备的接口无法

41、满足实时数据设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的需求。传输与多媒体应用的需求。 USB以以WDM（Windows Driver Model）模型模型为基础，为基础，WDM包含一套通用的包含一套通用的I/O服务和二进服务和二进制兼容的设备驱动程序。制兼容的设备驱动程序。23:2023:20 USB支持同步数据传输方式和异步数据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 速传 输 方 式 ， 其 数 据 传 输 率 有 低 速15Mbps和全速和全速12Mbps两种，比标准两种，比标准串口快串口快100倍，比标准并口快倍，比标准并口快10倍倍 USB可

42、以主动为外部设备提供电源，允可以主动为外部设备提供电源，允许外部设备快速连接，具有即插即用的许外部设备快速连接，具有即插即用的功能功能 允许外部设备的热插拔允许外部设备的热插拔4. 4. SCSISCSI接口技术接口技术 SCSISCSI（Small Computer System InterfaceSmall Computer System Interface）即小即小型计算机系统接口。型计算机系统接口。23:2023:20SCSISCSI系统结构系统结构23:2023:205.5.4.6 4.6 即插即用技术即插即用技术( (Plug and PlayPlug and Play）计算机系统

43、计算机系统I/OI/O设备与部件配置的应用技术。不需要设备与部件配置的应用技术。不需要进行任何设置操作。进行任何设置操作。PnPPnP技术的产生技术的产生 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，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。往是

44、一个困难的过程。23:2023:20PnPPnP技术的特点：技术的特点： （1 1）支持）支持I/OI/O设备及部件的自动配置，使用户能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；够简单方便地使用系统扩充设备； （2 2）减少由制造商装入的种种用户支持和限制，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，使简化部件的硬件跳接设置，使I/OI/O附加卡和部件不附加卡和部件不再具有人工跳接线设置电路；再具有人工跳接线设置电路； （3 3）在主机板和附加卡上保存系统资源的配置参）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，有利于系统对整个数和分配状态，有利于系

45、统对整个I/OI/O资源的分配资源的分配和控制；和控制； （4 4）支持和兼容各种操作系统平台，具有很强的）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；扩展性和可移植性； （5 5）在一定程度上具有）在一定程度上具有“热插入热插入”、“热拼接热拼接”技术。技术。23:2023:205.5 5.5 设备处理设备处理5.5.1 5.5.1 设备分配与回收设备分配与回收 当某进程向系统提出当某进程向系统提出I/OI/O请求时，设备分请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和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，以供主通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备

46、间信息交换。机和设备间信息交换。 设备独立性设备独立性：即不能因为设备的忙碌、：即不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的运行故障或更换而影响程序的运行, , 向用户向用户屏蔽物理设备屏蔽物理设备, , 呈现给用户的一个操作呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备。简单的逻辑设备。23:2023:201. 1. 数据结构：数据结构： 设备控制表设备控制表DCTDCT 主要内容：设备类型、设备标识符、设主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、指向控制器表指针备状态、指向控制器表指针、重复执行重复执行的次数或时间、等待队列的队首指针、的次数或时间、等待队列的队首指针、I/OI/O程序地址等。程序地址

47、等。 DCT1DCT2DCTn设备类型设备类型设备标识符设备标识符设备状态设备状态指向控制器表的指针指向控制器表的指针重复执行次数或时间重复执行次数或时间设备队列的队首指针设备队列的队首指针设备控制器表集合设备控制器表集合23:2023:20 系统设备表系统设备表SDTSDT 整个系统一张表，记录系统中所有整个系统一张表，记录系统中所有I/OI/O设备的信息，表目包括：设备类型、设设备的信息，表目包括：设备类型、设备标识符、进程标识符、备标识符、进程标识符、DCTDCT表指针等。表指针等。表目表目1 表目表目i 设备类型设备类型设备标识符设备标识符进程标识符进程标识符DCT驱动程序入口驱动程序

48、入口 23:2023:20 此外还有此外还有控制器控制表控制器控制表COCTCOCT和通道控制表和通道控制表CHCTCHCT，数据结构见书数据结构见书P162P162。 根据用户请求根据用户请求的的I/OI/O设备的逻辑名，查设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找理设备为索引，查找SDTSDT，找到该设备所找到该设备所连接连接的的DCTDCT；继续查找与该设备连接的继续查找与该设备连接的COCTCOCT和和CHCTCHCT，就找到了一条通路。就找到了一条通路。23:2023:202.2.设备分配策略设备分配策略 由于在多道程序系统

49、中，进程数多于资源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，要有一套合数，引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则。理的分配原则。 考虑的因素：考虑的因素： * * I/OI/O设备的固有属性设备的固有属性 * * I/OI/O设备的分配算法设备的分配算法 * * 设备分配的安全性设备分配的安全性 * * 与设备的无关性与设备的无关性23:2023:201) 1) 独占设备的分配独占设备的分配 静态分配静态分配在进程运行前在进程运行前, , 完成设备分完成设备分配；运行结束时，收回设备。配；运行结束时，收回设备。 优点：实现简单，不会死锁。优点：实现简单，不会死锁。 缺

50、点：设备利用率低。缺点：设备利用率低。 动态分配动态分配在进程运行过程中，当用户提在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回。用立即收回。 优点：效率优点：效率 缺点：分配策略不好时缺点：分配策略不好时, , 产生死锁。产生死锁。23:2023:202) 2) 共享设备分配共享设备分配 在作业调度时仅作出静态决定，进程执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，即将行时，才进行动态分配，即将I/OI/O请求形请求形成成I/OI/O请求块并按一定的原则加入到设备请求块并按一定的原则加入到设备等待队列。等待队列。23:20

51、23:205.5.2 5.5.2 设备驱动程序设备驱动程序 为了控制为了控制I/OI/O传输，实现传输，实现I/OI/O进程与设备进程与设备控制器之间的通信，系统为每类设备编制控制器之间的通信，系统为每类设备编制设备驱动程序。设备驱动程序。 任务主要负责接收和分析从设备分配转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：具体物理设备特性完成以下具体工作：23:2023:20(1) (1) 预置设备的初始状态预置设备的初始状态(2) (2) 根据请求传输的数据量，组织根据请求传输的数据量，组织I/OI/

52、O缓冲缓冲队列，利用队列，利用I/OI/O缓冲对数据进行加工，包缓冲对数据进行加工，包括数据格式处理和编码转换括数据格式处理和编码转换(3) (3) 构造构造I/OI/O程序（在有通道系统中，是通程序（在有通道系统中，是通道程序）道程序）(4) (4) 启动设备进行启动设备进行I/OI/O操作操作23:2023:205.5.35.5.3 I/OI/O中断处理程序中断处理程序 设备控制器向设备控制器向CPUCPU发送一个中断请求，发送一个中断请求，CPUCPU响应后便转向中断处理程序，处理来响应后便转向中断处理程序，处理来自设备或通道的中断。自设备或通道的中断。5.5.4 5.5.4 I/OI/

53、O操作过程操作过程请求请求I/I/O O的的进程、进程、I/OI/O过程（过程（I/OI/O控制的接控制的接口程序）、设备处理程序、中断处理程序。口程序）、设备处理程序、中断处理程序。I/OI/O进程。几者之间关系如图。进程。几者之间关系如图。23:2023:20标识设备；执行出错检查；构成iorb；加入请求队列；唤醒因等I/O请求块而睡眠的I/O进程；取iorb；如无iorb则等；启动I/O操作；/等I/O完成；执行出错检查；.唤醒等I/O的进程；I/O设备.中断服务；唤醒I/O进程；.doio(ldev,addr,)/等I/O完成.请求I/O的用户进程I/O过程I/O处理程序中断处理程序O

54、S界面控制关系同步关系23:2023:20I/OI/O中断的进入中断的进入 当当I/OI/O中断发生时，内核中的中断处理中断发生时，内核中的中断处理程序发一条消息给程序发一条消息给I/OI/O进程，由进程，由I/OI/O进进程负责判断并处理中断程负责判断并处理中断I/OI/O进程进程 是系统进程，一般赋予最高优先级。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一旦被唤醒，它可以很快抢占处理机投入运行投入运行。23:2023:205.6 5.6 典型外部设备典型外部设备 5.6.1 5.6.1 磁盘磁盘5.6.2 5.6.2 时钟时钟5.6.3 5.6.3 终端终端5.6.4

55、 5.6.4 网络网络I/OI/O设备设备 23:2023:205.6.1 5.6.1 磁盘磁盘 几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从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，磁盘有三个主存储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的优点：要的优点： 可用的存储容量非常大可用的存储容量非常大 价格非常低价格非常低 电源关掉后信息不会丢失电源关掉后信息不会丢失23:2023:201.1.磁盘结构磁盘结构 磁盘包括一或多个盘片每片两面；磁盘包括一或多个盘片每片两面； 每面分成若干条磁道（一般为每面分成若干条磁道（一般为50020005002000），），磁道间留有间歇；磁道间留

56、有间歇； 每条磁道又被分成许多扇区（一般为每条磁道又被分成许多扇区（一般为1010100100），扇区间留有间歇；每条磁道上扇区数），扇区间留有间歇；每条磁道上扇区数目典型为目典型为8 8至至3232，每个扇区包含相同的字节数，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；实际的硬盘都组织成许多柱面； 磁盘格式化，见磁盘格式化，见P172P172图图5-225-22。23:2023:202.2.RAM盘盘 RAM盘的思想很简单，它使用预先分配的主盘的思想很简单，它使用预先分配的主存来存储数据块。存来存储数据块。RAM盘具有立即存取的优盘具有立即存取的优点（没有寻道和旋转延迟），适用于存

57、储需要点（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。频繁存取的程序和数据。 实现实现RAM盘的思想：根据盘的思想：根据为为RAM盘分配内存盘分配内存的大小，的大小，RAM盘被分成盘被分成n块，每块的大小与实块，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，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。而不对软盘或硬盘进行读写。23:2023:205.6.2 时钟时钟 时钟（时钟（clock），），又称为

58、定时器（又称为定时器（timer） (1) 时钟负责提供一天的时间时钟负责提供一天的时间 (2) 防止一个进程垄断防止一个进程垄断CPU 23:2023:201.1.时钟硬件时钟硬件两种类型：两种类型： 比较简单的时钟被连到比较简单的时钟被连到110V或或220V的电源线的电源线上，每个电压周期产生一个中断，频率是上，每个电压周期产生一个中断，频率是50Hz或或60Hz。 另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器、计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，典型的范围石英晶体产生的精确的周期信号，典型的范围是是5到到100MHz 信号送

59、到到计数器，使其递减计数至信号送到到计数器，使其递减计数至0。当计。当计数器变为数器变为0时，产生一个时，产生一个CPU中断信号。中断信号。23:2023:202. 时钟软件时钟软件 时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产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生一个中断。涉及时间的其他所有工作都必须由软件由软件时钟驱动程序完成。时钟驱动程序完成。 时钟软件功能：时钟软件功能： 1维护日期时间维护日期时间 2防止进程超时运行防止进程超时运行 3对对CPU的使用情况记帐的使用情况记帐 4处理用户进程提出的处理用户进程提出的ALARM系统调用系统调用 5为

60、系统本身各部分提供监视定时器为系统本身各部分提供监视定时器 6绘制绘制CPU运行直方图，完成监视和统计信运行直方图，完成监视和统计信息收集息收集23:2023:205.6.3 终端终端 每台计算机都配有一个或多个终端与之通信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隐藏了各种类型终端的差异23:2023:20终端硬件终端硬件 根据与操作系统的通根据与操作系统的通信信方法将终端分为两大类：方法将终端分为两大类： （1