计算机软件技术基础-课件 15ch8-OS

第二部分操作系统第5章操作系统概论第6章处理器管理第7章存储器管理第8章设备管理第9章文件管理第8章设备管理

学习目标:1.掌握使用缓冲技术的目的和缓冲区的设置方式。2.了解设备管理功能：3.了解虚拟设备（SPOOLing系统）的功能和实现思想。设备管理学习内容：

8.1设备管理的功能

8.1.1设备的分类

8.1.2设备管理的功能*8.2设备数据传送的控制方式*8.3设备的软件层次8.4缓冲技术

8.4.1缓冲的引入

8.4.2缓冲的种类8.5虚拟设备——假脱机系统*8.6设备分配8.1设备管理的功能设备的概念：这里所说的“设备”是指计算机系统中除中央处理器和主存储器以外的所有设备，这些设备通常称为外部设备或I/O设备。8.1.1设备的分类1.按设备的信息组织方式可将设备分为块设备和字符设备。（1）块设备（blockdevice）

以数据（字符）块为单位组织和处理信息的设备（磁盘、磁带、硬盘、光盘等）。（2）字符设备（characterdevice）以字符为单位组织和处理信息的设备。（打印机、键盘、显示器、鼠标等）。2.按设备的管理模式：物理设备逻辑设备3.从资源管理的角度独享设备：对这类设备来说，在一段时间内最多只能有一个进程占有并使用它。打印机不能同时打印多个用户作业，否则输出结果将会混在一起。共享设备：允许多个进程同时共享的设备。软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。磁带机不是共享设备。虚拟设备：通过虚拟技术把原先独享设备改造成能为若干用户共享的设备，即把一台设备变成多台虚拟设备，从而提高设备的利用率。

8.1.1设备的分类8.1.3设备管理的功能设备管理的功能：设备的资源配置为设备配置系统资源，如I/O地址、端口、中断请求号等设备的控制和驱动完成设备控制和操作，为其它程序提供统一接口设备和CPU的协调并行操作、缓冲区、虚拟设备设备的分配和调度设备资源的分配8.2设备数据传送的控制方式程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道方式1、程序直接控制方式利用程序直接控制I/O操作的方式。这种方式的实现最为简单，可以不要任何附加的硬件支持，只要求设置一个设备的忙闲状态位。处理机利用I/O测试指令测试设备的忙闲，若设备不忙，则执行输入或输出指令；若设备忙，则I/O测试指令不断对该设备进行测试，直到设备空闲为止。这种方式使CPU花费大量时间循环测试I/O，造成极大的浪费。2、中断控制方式计算机中断技术及中断处理机构的引入，使得CPU与外围设备的工作有了相对独立性。当一个设备处于工作状态时，CPU可以继续处理其它的任务，而无须等待。每当设备完成I/O操作，便以中断请求方式通知CPU。CPU接收到中断信号后，暂停正在处理的任务，进行相应的处理，完后又可返回继续处理被暂停的任务。在这种方式下，仅当I/O操作正常或异常结束时才中断CPU，从而实现了一定程度的并行操作但由于CPU直接控制I/O操作，每传送一个单位的信息，都要发生一次中断，因而仍然消耗大量CPU时间。3、直接存储器存取(DMA)方式DMA(DirectMemoryAccess)方式用于高速外部设备与内存之间批量数据的传输。它是在硬件的支持下，使用一个专门的DMA控制器，通过占用总线控制权，由DMA控制器发送控制信号来完成内存与设备之间的直接数据传送（不用CPU干预）。当本次DMA传送的数据全部完成后，才产生中断，请求CPU进行结束处理。磁盘设备与主机交换信息主要采用这种方法。4、通道方式所谓通道，实际上是可以控制一台或多台外设与主机并行工作的一种专用I/O处理部件（I/O处理器）。是DMA方式的发展，进一步减少CPU对I/O操作的干预。当主机要启动外围设备时，只要将启动信号以及一些必要的参数信息(例如传输的字节数、需要传输的数据起始地址等)送给通道，就可以独立地完成输入输出任务，而主机就不再干预了，实现了主机和通道的并行操作。优点：实现了外设与CPU并行工作以及外设之间的并行操作。在具有通道结构的计算机系统中，内存、通道、（设备）控制器和设备之间的连接关系有多种。4、通道方式采用输入输出通道技术后，输入输出操作过程如下：CPU在执行用户程序时如遇到输入输出请求，由它用I/O指令启动指定通道上选定的外围设备，一旦启动成功，通道开始控制外围设备进行操作。这时CPU就可执行其它任务与通道并行工作，直到输入输出操作完成。通道发出操作结束中断时，CPU才停止当前工作，转向处理输入输出操作结束事件。CPU与通道并行工作的结果，提高了系统的利用率。4、通道方式*8.3设备的软件层次（了解）8.1.3设备管理的功能设备管理的功能：设备的资源配置为设备配置系统资源，如I/O地址、端口、中断请求号等设备的控制和驱动完成设备控制和操作，为其它程序提供统一接口设备和CPU的协调并行操作、缓冲区、虚拟设备设备的分配和调度设备资源的分配8.2设备数据传送的控制方式程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道方式*8.3设备的软件层次（了解）8.4缓冲技术提高CPU与外设的并行程度的另一项技术措施是缓冲技术。由于CPU与外设运行速度不匹配，于是当CPU与I/O设备之间进行数据通信时，就会产生“瓶颈”现象，使并行处理受到限制。为此，人们提出了缓冲技术来匹配CPU与设备的速度差异，从而提高CPU与外设的并行程度。8.4.1缓冲技术的引入引入缓冲技术的目的1.解决CPU与外设速度不匹配的问题；2.减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制；3.解决数据处理方式的差异。缓冲区：指在内存中开辟的专门用于数据传输过程中暂存数据的区域。8.4.2

缓冲的分类按实现方法分：硬件缓冲器软件缓冲器（缓冲区）按建立方法分：静态缓冲区动态缓冲区8.4.2

缓冲的分类按开辟数量分：单缓冲区双缓冲区多缓冲区按使用方式分：专用缓冲区缓冲池种类1）单缓冲区2）双缓冲区种类3）多缓冲区（循环缓冲技术） 循环缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，形成一个循环队列。当CPU将数据写入缓冲区时，相当于在循环队列中加入了一个元素；当CPU从缓冲区取走一个数据时，相当于在循环队列中删除了一个元素。8.5虚拟设备——假脱机系统背景一些独享型设备（打印机等），采用静态分配不利于提高系统效率。当前占有设备的作业不能有效地利用它们；设备的独享性，导致其它申请设备的作业只能等待；这类慢速设备联机传输大大延长作业的执行时间。解决方法：虚拟设备。8.5虚拟设备——假脱机系统SPOOLing(SimultaneousPeripheralOperationOnLine，外围设备同时联机操作技术或假脱机操作技术)是操作系统用于管理低速独享设备的一种实用技术，是一种虚拟设备技术。指导思想：利用高速共享设备（如磁盘）将低速的独享设备模拟为多台可并行操作的虚拟设备。从逻辑上，为每个计算机用户配备了一个独享设备。利用两个系统程序“预输入程序”和“缓输出程序”来完成脱机系统中的预输入和缓输出工作。在高速共享设备上开辟出两个称为“井”（输入井、输出井）的特殊区域，用于存放预输入信息和缓输出结果。SPOOLing系统的组成硬件部分：输入井、输出井输入缓冲区、输出缓冲区软件部分：预输入进程、缓输出进程输入/输出井管理进程优点①提高了I/O速度；②将独占设备改造为共享设备；③实现了虚拟设备的功能。8.5虚拟设备——假脱机系统*8.6设备分配（了解）小结

设备管理的主要任务是控制设备和CPU之间的I/O操作。

向用户提供使用外部设备的统一的接口按照一定的策略分配和管理设备，以使系统能有条不紊地工作利用中断技术、通道技术和缓冲技术，提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，以充分提高外部设备的使用效率。数据传送控制方式有四种：程序直接控制