《操作系统原理》第六章 设备管理.ppt

1、第六章 设备管理,任晓霞 北京大学计算中心,内容提要,概述 I/O硬件 硬件分类 设备控制器、通道、DMA I/O软件 设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制,2,内容提要,I/O设备管理系统结构图,3,概 述,上层用户程序（应用层）,设备 控制器,命令寄存器,中断处理程序,设备驱动程序,设备无关程序,用户进程,状态寄存器,数据寄存器,设备管理的目标和任务,按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换，最终完成用户的I/O请求 设备分配与回收 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，选择一条数据通路 执行设备驱动程序，实现真正的I/O操作 设备

2、中断处理：处理外部设备的中断 缓冲区管理：管理I/O缓冲区,4,概 述,设备管理的目标和任务(2),建立方便、统一的独立于设备的接口 方便性：向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户编程不考虑设备的复杂物理特性 统一性：对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序中使用的是逻辑设备 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I/O的差异性）,5,概 述,设备独立性（设备无关性）,目的： 从用户角度：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（实际设备）的转换，并实施I/O操作 从系统角度：设计并实现I/O软件时，除了直接与设备打交道的底层软件之外，其他

3、部分的软件不依赖于硬件,6,概 述,设备管理的目标和任务(3),充分利用各种技术（通道、中断、缓冲等）提高CPU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 并行性 均衡性（使设备充分忙碌）,7,概 述,设备管理的目标和任务(4),保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的。,8,概 述,内容提要,概述 I/O硬件 硬件分类 设备控制器、通道、DMA I/O软件 设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制,9,内容提要,I/O设备的特点分析,操作系统需要管理的最复杂的资源I/O设备 I/O设备种类繁多，工作模式各不相同 I/O设备数据多样，处理方式各不相同 I

4、/O设备性能参差，运行控制多种多样 最容易成为计算机系统的瓶颈I/O设备 很多I/O设备使用机械操作，导致其速度较CPU相差很大 进程运行中的输入输出操作可能造成系统运行的性能瓶颈 I/O管理：如何最大限度保证I/O设备与CPU的并行工作 最实用、最体现操作系统特色的工作I/O管理 兼容性：操作系统最难以完成的使命 标准化：IT技术迅速普及发展的本质 高性能：I/O设备发展的主要目标,10,I/O硬件管理,11,I/O设备分类（1）,按照数据的组织形式划分 块设备 以数据块为单位存储、传输数据 传输速率较高（几MB/秒）、可寻址（随机读写） 例如：磁盘、磁带、光盘 块设备根据存取速度及不同的载

5、体结构可分三类：,I/O硬件管理,顺序存储设备：严格按照信息在载体上的物理顺序来定位与存取的设 备-磁带机 直接存取存储设备：直接对某个物理位置的记录进行存取-磁盘，磁盘 组 完全直接存取存储设备：RAM,字符设备 以字节为单位存储、传输数据 传输速率较低、不可寻址 例如：输入型设备键盘、鼠标、图形扫描器 输出型设备显示器、打印机、绘图机,12,I/O设备分类（2）,按照资源分配的形式划分 独占式设备 一个时刻只能由一个进程使用，一般为低速I/O设备 如：打印机、磁带等 共享式设备 一个时刻可由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，其资源利用率很高 如：硬盘 虚拟式设备,1

6、3,虚拟式设备 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，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备 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 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备） SPOOLing技术 为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术另一种资源转换技术,14,I/O设备分类（3）,按照程序使用的方式划分 逻辑设备 由操作系统维护，简便用户操作和控制的“设备结构” 物理设备 由硬件结构组成，真实完成各类I/O设备操作,15,I/O设备

7、硬件组成,I/O设备的硬件结构 机械部分（物理装置） 设备本身，是接收模拟信号的各种机械装置 电子部分（电子装置） 又叫设备控制器/适配器 完成设备与主机的连接和通信,16,设备控制器,是CPU与I/O设备的接口 分成两大类 用于控制字符设备的控制器 用于控制块设备的控制器 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机主板上的总线插槽,17,设备控制器功能,按照主机与设备之间约定的格式和过程 接收计算机发来的数据和控制信号 向主机发送数据和状态信号 将计算机的数字信号转换成机械部分能识别的模拟信号，或反之 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性能或增强功能 （端口）地址译码：实现对I/O地址

8、空间的正确映射,18,设备控制器的组成,设备控制器与处理机接口 三类信号线：数据线、地址线和控制线 寄存器：数据寄存器、控制/状态寄存器 设备控制器与设备接口 一个设备连接一台设备 每个接口中含有数据、地址、控制信号。 控制器的I/O逻辑根据处理机发的地址信号选择设备接口 I/O逻辑 通过一组控制线与处理机交互 处理机利用它向控制器发送I/O命令。 I/O逻辑对收到的命令进行译码。,19,20,几乎所有的微型机和小型机都利用下图所示的单总线模型，实现CPU和控制器之间的通信。,21,通道,早期：外部设备的输入/输出是在CPU的直接控制下，I/O设备和CPU之间只能采用串行方式工作 为了使CPU

9、从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力 通道：是一种专门管理设备I/O控制的部件一个小规模处理机，控制设备和内存直接进行数据交换,22,通道是一种特殊的处理机，与一般处理机不同。表现在两个方面： 指令类型单一、即由于通道硬件比较简单，其所能执行的指令，主要为与I/O有关的指令。 通道没有自己的内存，与CPU共享内存,23,通道的类型,根据信息交换方式，可分为三种类型 字节多路通道 数据选择通道 数组多路通道,24,通道的类型-字节多路通道,字节多路通道以字节为单位传输信息 子通道按时间片轮转方式共享通道 第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后，

10、便立即腾出字节多路通道（主通道），让第二个子通道使用，依次类推，所有通道轮转一周后重返回。 只要扫描每个子通道的速度足够快，而连接到子同上的设备的速率较小的时，不丢数据 主要连接以字节为单位的低速I/O设备，如：打印机、终端,25,字节多路通道：适于控制多路低速设备,26,通道的类型数据选择通道,选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速率高。 选择通道在一段时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 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，执行相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备,27,28,数据选择通道：适于高速设备，成组传输数据,通

11、道的类型数组多路通道,它结合了数据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。它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令 主要连接高速设备 这样，对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交叉地传输一批批数据。数组多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现,29,“瓶颈”问题,I/O性能经常称为系统的瓶颈 CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高，与I/O 差距越大 弥补：更多的进程 进程多，进程切换多，系统开销大,30,通道价格昂贵，使机器中的通道数量比较少，这往往使它成了

12、I/O的瓶颈 解决“瓶颈”问题的最有效的方法，便是增加设备到主机之间的通路，而不是通道,31,32,单通道与多通道,单通道I/O机制：每个设备由一个通道负责,单通道与多通道,33,多通道I/O机制：每个设备由多个通道控制,存储器直接存取（DMA）设备,DMA：Direct Memory Access 通过系统总线中一独立控制单元DMA控制器，自动控制成块数据在内存和I/O单元间的传送 大大提高处理I/O的效能,34,当处理器需要读写一整块数据时 给DMA控制单元发送一条命令 包含：是否请求一次读或写，I/O设备的编址，开始读或写的主存编址，需要传送的数据长度等信息 处理器发送完命令后就可处理其

13、他事情 DMA控制器将自动管理数据的传送 当这个过程完成后，DMA控制器给处理器发一个中断，处理器只在开始传送和传送结束时关注一下就可,35,处理器和DMA传送不完全并行 因为有时会有总线竞争的情况发生 处理器用总线时可能稍作等待 不会引起中断 不引起程序上下文的保存 通常过程只有一个总线周期 在DMA传送时，处理器访问总线速度会变慢 对于大量数据I/O传送，采用DMA这种方式是很有价值,36,内容提要,概述 I/O硬件 硬件分类 设备控制器、通道、DMA I/O软件 设备控制方式 设备驱动程序 I/O控制,37,内容提要,38,I/O软件体系结构,I/O软件管理,中断处理程序,底层硬件设备,

14、设备驱动程序,用户I/O软件,设备无关软件,I/O请求,I/O响应,提供系统库调用，供人员使用；提供类似Spooling这样的精灵守护进程管理共享设备,命名、保护、阻塞、缓冲,建立设备寄存器、解决错误,处理中断信号,39,数据传输控制方式,程序直接控制方式 中断控制方式 DMA控制方式 通道方式,程序直接控制方式,Programmed Direct Control CPU直接与I/O设备进行通信，负责将用户数据传送到I/O端口 用户程序通过系统调用来使用I/O设备 CPU需要不断查询I/O设备的端口状态，性能较低,40,外围设备,接收到start命令,做接收或发送数据准备,准备完毕？,标志触发

15、器置done,是,否,CPU,发start命令,设备标志触发 器为done,否,是,等待,执行下条指令开始数据传送,等待CPU来的下一条指令,程序直接控制方式特点,优点：简单、不需要硬件支持 缺点： CPU和外围设备只能串行工作，CPU利用率低 在一段时间内CPU只能和一台外围设备交换数据信息，不能实现设备之间的并行工作 依靠测试设备标志触发器的状态位控制数据传输，无法发现处理其它错误 只适用于速度慢、设备少的系统,42,中断控制方式,为了减少程序直接控制方式中CPU等待时间及提高系统的并行工作程度。 CPU设定I/O设备的初始值，然后不再忙等待，运行其他进程，当前进程阻塞 I/O设备完成对当

16、前数据的处理后，向CPU发出中断，I/O中断处理程序将负责传送剩余数据,43,44,设备,收到CPU发 来的start命令,准备数据并将其 放入缓冲寄存器,缓冲寄存器满吗？,控制器发中断信号,是,否,CPU,向设备发start命令 中断允许位置1,调度程序调度其它进程,收到中断信号了吗？,否,其它进程执行,是,中断处理,中断处理程序,需要CPU和设备控制器之间有相应的中断请求线，而且在设备控制器的控制状态寄存器中有相应的中断允许位 从数据寄存器到内存的传送是在CPU的控制下完成的 切换的进程可以做到设备间的并行操作和设备 CPU间的并行操作， CPU的利用率大于程序控制方式 数据缓冲寄存器满时

17、发出中断，而缓冲寄存器一般比较小，中断频繁消耗了大量CPU时间,45,中断控制方式特点,DMA控制方式,使用独立的DMA控制器代替CPU的工作，I/O设备与DMA通信，DMA在传输完成一个数据缓冲区之后再向CPU发中断 DMA模式减少了中断次数，同时又集成了程序控制和中断控制的优点,DMA控制方式特点,需要内存地址寄存器和传送字节记数器 在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理，减少了CPU进行中断处理的次数 从数据寄存器到内存的传送是在DMA控制器的控制下完成的，但是对设备的某些操作仍然由CPU控制,通道方式,DMA机制过于简单，有时未必能够提高与CPU并行效率 为此专门增加

18、了I/O处理机，专门负责I/O设备的控制和操作，与CPU并行工作,50,设备,通道控制器收到start指令,通道控制器执行通道命令 启动设备准备数据,是,否,CPU,向设备发start命令 指明I/O操作、通道号、设备号,当前进程等待 调度程序调度其它进程,收到中断信号了吗？,否,其它进程执行,是,中断处理,中断处理程序,根据通道指令要求，数据从 缓冲寄存器内容入内存,通道指令结束否？,发中断信号停止I/O操作,通道方式特点,数据的传送方向、存放目的地、传输数据长度由通道控制，减轻了CPU的负担 一个通道可以控制多台外部设备，提高了系统的并行工作能力 I/O控制器里没有传送字节计数器和内存地址

19、计数器，但是系统增加了通道设备控制器和指令执行机构 内存中必须有相应的通道程序,中断,什么是中断？ 在计算机执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程,引入的中断目的,为了开发CPU和通道(或设备)之间的并行操作，当CPU启动通道(或设备)进行输入/输出后，通道便(或设备)可以独立工作了，CPU也可以转去做与此次输入/输出不相关的事情，那么通道(或设备) 输入/输出完成后，还必须告诉CPU继续输入/输出以后的事情，通道(或设备)通过向CPU发中断告诉CPU

20、此次输入/输出结束,中断特点,中断是随机的 中断是可恢复的 中断是自动处理的,中断相关概念,中断源：引起中断发生的事件 中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号 中断响应：而CPU收到中断请求后转去响应的事件处理程序 中断寄存器：记录中断 中断字：中断寄存器的内容 关中断-禁止中断：处理机状态字（PSW）的中断允许位被清除 开中断：处理机状态字（PSW）的中断允许位被置位 中断屏蔽：用软件的方法有选择地封锁部分中断,中断的分类,根据中断产生的条件，中断分内中断和外中断 内中断：来自处理机和内存内部的中断 一般称为陷入或者异常 系统调用、缺页异常、断点指令、其他程序性异常(如算术溢出等)、

21、分时系统时间片到、非法指令、目态到管态的切换等 外中断：来自处理机和内存外部的中断 狭义上一般被称为中断 定时器引起时钟中断、调试断点、I/O中断,中断（狭义）和陷入的区别,陷入通常由处理机正在执行的指令引起，中断是和现行指令无关的中断源引起 陷入处理程序提供的服务是为当前进程服务，中断是为了系统服务 中断的响应在两个指令之间，（通常）陷入的响应在一条指令内部 中断在系统上下文中，陷入在进程上下文中（某些操作系统）,中断的优先级和中断屏蔽,中断优先级设计原则：一般来说，高速设备的中断优先级高，慢速设备的中断优先级低。因为高速设备的中断被处理机优先响应时，可以让处理机尽快地向它发出下一个I/O请

22、求，提高高速设备的利用率 如PDP-11机上的UNIX系统把中断级别分为： 时钟中断中断优先级6级 磁盘中断中断优先级5级 终端等其他外设中断中断优先级4级,中断的优先级和中断屏蔽（2）,处理机优先级：指出处理机正运行程序的中断响应级别。即当处理机处于某一优先级时，只允许处理机去响应比该优先级高的中断，而屏蔽低于或等于该优先级的中断。可以通过置处理机优先级来通知硬件：屏蔽优先级小于等于处理机优先级的中断 中断屏蔽：指禁止处理机响应中断或禁止中断出现 中断屏蔽有两种方法： 硬件实现由软件置处理机优先级，硬件按系统设计时的约定，屏蔽那些低优先级中断 软件实现由软件按操作系统优先级约定,设置屏蔽寄存

23、器,软中断和硬中断,中断和陷入-硬中断 软中断：通信进程间模拟中断的信号通信方式（signal(),kill()系统调用） 二者区别 硬中断：即时响应 软中断：进程得到处理机时响应,中断处理过程,设备驱动程序,负责设置和相应设备有关的寄存器的值，启动设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等 为了控制I/O传输，系统为每类设备编制设备驱动程序 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构，结合具体物理设备特性完成具体工作,驱动物理设备、DMA 控制器等的I/O操作的子 程序的集合,+,中断处理子程序的集合,设备驱动程序的特点,用来控制设备控制器的代码和指令的集合 目前

24、的体系结构中，设备驱动程序属于操作系统的内核部分 操作系统实现过程中，需要提供标准化的接口函数，用于封装设备驱动程序 设备驱动的存在形式：与操作系统统一编译，或者运行时动态链接,设备驱动程序的统一接口,I/O软件管理,设备驱动程序的工作过程,接受上层用户发送的各类参数，并对输入参数进行检查 对硬件设备的可用性进行检查，并接通或者启动设备 控制设备完成对应的操作（通过设置接口寄存器实现） 实现数据的I/O，同时返回操作的状态结果。,设备开关表(Device Switch Table),二维表，表内元素是驱动程序，行和列表示设备类型和驱动程序类型 I/O控制过程从这里查找调用所需的驱动程序进行I/

25、O操作,输入/输出系统的流程,67,用户进程,文件系统,设备驱动程序,设备控制器,设备本身,大部分I/O 控制过程,设备独立性,设备独立性又叫设备无关性，应用程序独立于具体使用的物理设备 用户使用逻辑设备名称来请求使用某类设备，不和具体物理设备打交道；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称。 从程序设计的角度看，各种设备体现的接口都一样；对不同设备的操作，也只要指定设备的逻辑名字，而他们的物理特性由操作系统来处理 操作系统对所有的设备和设备操作采取统一方式管理。一般采用层次和模块化思想来实现设备管理系统,68,设备独立性（2）,设备独立性的实现：系统有专门从逻辑设备到物理设备的转换机制，类

26、似于存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念 设备独立性，即不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的运行，向用户屏蔽物理设备，呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备,69,与设备无关的I/O软件,向用户层（或文件层）软件提供统一接口 无论何种设备，它们向用户所提供的接口应该是相同的。例如，对各种设备的读操作，在应用程序中都使用read；而对各种设备的写操作，也都使用write 执行所有设备的共有操作 对独立设备的分配和回收； 将逻辑设备名映射为无物理设备名，找到相应物理设备的驱动程序； 对设备进行保护，禁止用户直接访问设备； 缓冲管理，即对字符设备和块设备的缓冲区进行有效的管理，以提高I/O

27、的效率； 差错控制。,70,用户层的输入输出软件,绝大部分的输入/输出软件是操作系统的（设备文件、文件系统控制） 用户层的I/O软件主要指2种： 用于I/O操作的库例程（read,write等） 例：用户程序中的系统调用： count=read(fd,buffer,nbytes) 程序运行期间，库例程read将与该程序连接在一起形成一个可执行文件。 Spooling系统,Spooling技术,SPOOLing 技术是在批处理操作系统时代引入的，即所谓假脱机输入/输出技术。把这种技术用于对设备的使用实质就是对输入/输出操作成批处理。 例如：所有输出数据已经写到文件当中，并排到打印输出队列，打印进

28、程申请占用打印机后，成批读出文件中数据，并送打印机打印出去,72,打印请求队列（含要有打印文件）,打印进程,打印机,Spooling系统Simultaneous Peripheral Operations On-Line,Spooling系统采用缓冲技术。 一般由三部分组成：预输入程序、缓输出程序和井管理程序。 预输入程序负责将输入设备上的信息预先输入到可共享设备的缓冲区域（输入井），并将存放信息的位置记录下来。预输入程序由操作员敲入预输入命令启动工作的。 缓输出程序负责从磁盘缓冲区读信息从打印机或其它输出设备为一个个用户打印输出。当设备空闲或进程完成后，系统负责调用缓输出程序将用户的信息从输

29、出井送设备输出。 井管理程序负责管理输入井和输出井（缓冲区），记录每个缓冲区的作用。 当作业的进程执行过程中要求启动某台设备输入或输出时，操作系统截获该请求并调出管理程序控制从相应的输入井读或向共享设备的输出缓冲区写。而输入井和输出井上的信息是以文件的形式记录的。,Spooling系统Simultaneous Peripheral Operations On-Line,输入缓冲区,输出缓冲区,内存,输入井 file1 file2,输出井 job1 job2,磁盘（外存）,输入设备,输出设备,接受进程 （读入）,输出进程 （打印作业）,Spooling系统的特点,高速虚拟I/O操作：应用程序的虚

30、拟I/O比实际I/O速度提高，缩短应用程序的执行时间。另一方，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。 实现对独享设备的共享：由SPOOling 程序提供虚拟设备，可以对独享设备依次共享使用 例如：虚拟打印机，打印队列和打印机可以是一对多，多对一的关系,设备分配,设备分配：当某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按照一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换。,设备分配中的数据结构,设备控制表DCT：反应设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况 控制器控制表COCT：反应I/O控制器的使用状态及和通道的连接情况等（在DMA方式时，该项没有）

31、 通道控制表CHCT：该表只在通道控制方式存在 系统设备表SDT: 记录了系统中全部设备及其驱动程序地址。,77,设备控制表DCT,DCTn,DCT2,DCT1,设备等待对列尾,设备等待队列首,指向控制器表的指针,设备状态：等/不等 忙/闲,设备标识符:deviceid,设备类型type,每个物理设备有一张，反映设备特性、设备和I/O控制器的连接情况，在设备和系统连接时创建，动态修改,系统设备表SDT,SCTn,SCT2,SCT1,获得设备的进程,设备标识符:deviceid,设备类型type,控制器控制表COCT,COCTn,COCT2,COCT1,控制器等待队列首,控制器等待队列首,指向C

32、HCT通道控制表的指针,控制忙/闲标记,控制器标识,每个设备控制器一张，反映设备控制器的使用状态和它与通道的连接情况（DMA方式、中断方式下没有），在设备控制器和系统连接时创建，动态修改,通道控制表CHCT,CHCTn,CHCT2,CHCT1,通道等待队列首,通道等待队列首,控通道忙/闲标记,通道标识,设备分配的原则,由于在多道程序中，进程数多于资源数，引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则 考虑因素 设备的固有属性：共享设备、独占设备等等 设备分配的算法 设备分配的安全性：避免不合理的分配策略造成死锁 与设备的无关性,分配方式,1）独占设备的分配 提高资源利用率，避免不合理的分配策略造成死锁 静态分配： 在进程运行前， 完成设备分配；运行结束时，收回设备 缺点：设备利用率低 动态分配： 在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回 优点：效率好；缺点：分配策略不好时，产生死锁,分配方式(2),2）共享设备分配 由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影