[精选]第5章设备管理.pptx

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1、第 5 章 设备管理1本质主要内容5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 缓冲管理 5.4 设备分配 5.5 设备处理 5.6 磁盘存储器管理2设备管理的任务和功能设备管理的任务提高设备的利用率设备独立性5.1 I/OI/O 系统 3设备管理的功能n提供和进程管理系统的接口n进行设备分配n设备控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱动和设备中断处理，具体的工作过程是在设备处理的程序中发出驱动某设备工作的I/O指令后，再执行相应的中断处理n进行缓冲区管理4n按使用特性分类 按这种方法可把I/O设备分为存储设备和输入/输出I/O设备、终端设备和脱机设备n按传输的信息特点分类 按这种方法可

2、将I/O设备分为字符设备和块设备。n按设备的共享属性分类 按这种观点可将I/O设备分为独占设备、共享设备和虚拟设备三种。5.1.1 I/O 设备5按设备的附属关系分类 按这种观点可将外部设备分为系统设备和用户设备两种。n系统设备：操作系统生成时就纳入系统管理范围的设备就是系统设备，通常也称为“标准设备。比方键盘，显示器、打印机和磁盘驱动器等。n用户设备：在完成任务过程中，用户特殊需要的设备称为用户设备。由于这些是操作系统生成时未经登记的非标准设备，因此对于用户来说，需要向系统提供使用该设备的有关程序如设备驱动程序等；对于系统来说，需要提供接纳这些设备的手段，以便将它们纳入系统的管理。比方对于M

3、S-DOS，可 以 在 CONFIG.SYS文 件 中，通 过 使 用 命 令DEVICE，把特定的设备驱动程序装入到内存，以便把某一个设备如鼠标、扫描仪等配置到计算机中。6设备接口n主机是通过总线和接口部件与外部设备连接的。设备接口，视其类型的不同，规模可大可小。在巨型机和大型机中，接口是可以执行I/O程序的通道；而在微机中，接口也叫接口板、适配器，功能和规模都比通道要小得多。n不管何种类型的接口，都是主机与外部设备之间的中介部件，它接受主机命令，传递I/O信息，反映外部设备的状态，对主机与外部设备的信息交换过程实施具体的控制。75.1.2 设备控制器nCPU与I/O设备之间的硬件接口，接收

4、从CPU发来的命令，并去控制一个或多个设备n设备控制器的基本功能n接收和识别命令n数据交换n标识和报告设备状态n地址识别n数据缓冲n过失控制8设备控制器的组成n命令存放器与具体的I/O请求有关，数据存放器和状态存放器则与完成数据的传输更加密切：n 数据存放器：该存放器是用来存放传输的数据的。对于输入设备，总是把所要输入的数据送入该存放器，然后由CPU从中取走；反之，对于输出设备输出数据时，也是先把数据送至该存放器，再由设备输出。n 状态存放器：该存放器是用来记录设备当前所处状态的。对于输入设备，在启动输入后，只有设备把数据读到数据存放器，它才会将状态存放器置成“完成Done状态；对于输出设备，

5、在启动输出后，只有设备让数据存放器做好了接收数据的准备，它才会把状态存放器置成“准备就绪状态。95.1.3 I/O通道n通道是一种特殊的处理机，它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作。n通道不同与一般的处理机：n通道的指令类型单一，主要局限于与I/O操作有关的指令n通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是存放在主机的内存中的，即通道与CPU共享内存。n通道的类型：n 字节多路通道n 选择通道n 数组多路通道10n通道是通过执行通道程序，并与设备控制器来共同实现对I/O设备的控制的，通道程序是由一系列的通道指令或称为通道命令所构成n通道指令与一般的机器指令不同，每条通道

6、指令应包含以下的内容：n操作码：它规定指令所执行的操作，如读、写等。n内存地址：标明数据传送时内存的首址。n计数：表示传送数据的字节数。n通道程序结束位R0，表示通道程序是否结束。n记录结束标志R1，表示所处理的记录是否结束。115.1.4 系统总线n系统总线系统总线nISAnEISAnVESAnPCI 125.2 I/OI/O数据传送控制方式 程序直接控制方式中断控制方式 DMA方式 通道控制方式 13程序直接控制方式n程序直接控制方式是指由用户进程直接控制内存或CPU和外围设备之间进行信息传送的方式。通常又称为“忙等方式或循环测试方式。早期的计算机系统中所用的方式n在数据传送过程中，必不可

7、少的一个硬件设备是设备控制器，它是操作系统软件和硬件设备之间的接口，它接收CPU的命令，并控制I/O设备进行实际的操作。n对于CPU，设有两条硬指令，一条是启动输入/输出的指令，比方记为Start。另一条是测试设备控制器中状态存放器内容的指令，比方记为Test。14 程序直接控制方式的工作过程。这种数据传输方式，就是指用户进程使用Start指令启动设备后，不断地执行Test指令，去测试所启动设备的状态存放器。只有在状态存放器出现了所需要的状态后，才停止测试工作，完成输入/输出。由于数据传送过程中输入和输出的情况比较类似，下面只给出输出数据时的工作过程。1把一个启动位为“1的控制字写入该设备的控

8、制状态存放器。2将需输出数据送到数据缓冲存放器。3测试控制状态存放中的“完成位，假设为0，转 2，否则转4。4输出设备将数据缓冲存放器中的数据取走进行实际的输出。15中断控制方式 n所谓“中断，是一种使CPU暂时中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。能够引起中断的事件称为“中断源，它们可能是计算机的一些异常事故或其他内部原因比方缺页，更多的是来自外部设备的输入输出请求。程序中产生的中断或由CPU的某些错误结果如计算溢出产生的中断称为“内中断；由外部设备控制器引起的中断成为“外中断。n为了减少程序循环测试方式中CPU进行的测试和等待时间，为了提高系统并行处理的能力，利用设备的中断能力来参与

9、数据传输是一个很好的方法。这时，一方面要在CPU与设备控制器之间连有中断请求线路；另一方面要在设备控制器的状态存放器中增设“中断允许位。16171进程需要数据时，将允许启动和允许中断的控制字写入设备控制状态存放器中，启动该设备进行输入操作。2该进程放弃处理机，等待输入的完成。操作系统进程调度程序调度其他就绪进程占用处理机。3当输入完成时，输入设备通过中断请求线向CPU发出中断请求信号。CPU在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。4中断处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲存放器中的数据传送到某一特定单元中去，同时将等待输入完成的那个进程唤醒，进入就绪状态，最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续

10、执行。5在以后的某一时刻，操作系统进程调度程序选中提出的请求并得到获取数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。18DMA方式 nDMA方式又称直接存储器访问Direct Memory Access方式。其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。nDMA方式的特点是：1数据传送的基本单位是数据块。2所传送的数据是从设备送内存，或者相反。3仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。1920nDMA控制器中包含有四个存放器：数据缓冲存放器，控制状态存放器，内存地址存放器和传送字节数计数器。在数据传输之前，

11、将根据I/O命令参数对这些存放器进行初始化。每个字节传输后，地址存放器内容自动增1，字节计数器自动减1。21通道控制方式 n通道控制方式与DMA方式相类似，也是一种内存和设备直接进行数据交换的方式。与DMA方式不同的是，在通道控制方式中，数据传送方向存放数据的内存始址及传送的数据块长度均由一个专门负责输入/输出的硬件通道来控制。另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制器，而通道控制方式中，一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。22n通道方式是DMA方式的开展，可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读或写为单位的干预，减少为对一组数据块的读或写及有关的控制和管理为单位的干预n可实

12、现CPU、通道和I/O设备三者的并行工作23通道方式的数据传送结构通道方式的数据传送结构24通道控制方式的数据过程1当进程要求设备输入时，CPU发指令指明I/O操作、设备号和对应通道。2对应通道收到CPU发来的启动指令后，读出内存中的通道指令程序、设置对应设备的控制状态存放器的初值。3设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。4假设传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断信号请求CPU做中断处理。5中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。6当进程调度程序选中这个已得到数据的进程后，才能进行加工处理。255.3 缓冲技术 5.3.1 缓冲的引入n“缓冲即是过渡一下的意思。引入缓冲

13、的主要目的：n缓和处理机和I/O设备间速度不匹配的矛盾:在计算机系统的输入/输出中，由于CPU的处理速度很快，而设备的工作速度相对较慢，快和慢之间为了匹配，就需要缓冲。否则，快者就不得不等待慢者，从而影响了快者速度的发挥n减少对CPU的中断次数，放宽对中断响应时间的限制:假设I/O操作每传输一个字节就产生一次中断，那么系统花费在I/O处理上的时间就会直线上升。但如果我们设置4个字节的缓冲区，等放满4个字节后才产生一次中断，那么中断次数就会减少，系统花费在中断处理上的时间也就明显减少。n提高CPU和I/O设备之间的并行性26n可见，在处理I/O时，引入缓冲技术是非常有必要的。通过缓冲，能够调节计

14、算机系统各局部的负荷，使CPU和外部设备的工作都尽量保持在一个较为平稳的良好状态。n缓冲的实现有两种方法：一种是采用专门的硬件存放器，比方设备控制器里的数据存放器，这是“硬件缓冲；另一种是在内存储器中开辟出n个单元，作为专用的I/O缓冲区，以便存放输入/输出的数据，这种内存缓冲区就是“软件缓冲。由于硬件缓冲价格较贵，因此在I/O管理中，主要采用的是软件缓冲。275.3.2 缓冲的种类 根根据据系系统统设设置置缓缓冲冲区区的的个个数数，可可以以分分为为单单缓缓冲冲、双双缓冲、多缓冲以及缓冲池等四种。缓冲、多缓冲以及缓冲池等四种。n单单缓缓冲冲：只为设备设置一个缓冲区的情形称为“单缓冲。是操作系统

15、提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输入/输出数据。如：以以下下图图a表表示示单单缓缓冲冲的的工工作作示示意意，它它表表示示产产生生数数据据者者即即生生产产者者不不是是把把数数据据直直接接送送给给接接收收数数据据者者即即接接收收者者，而而是是把把数数据据送送入入到到所所设设置置的的缓缓冲冲区区中中。接接收收数数据据者者总总是是从从缓缓冲冲区区中去取所需要的数据。中去取所需要的数据。2829n双双缓缓冲冲：为I/O设备设置两个缓冲区，就称为“双缓冲。解决外设之间并行工作的最简单的方法是设置双缓冲。在双缓冲方案中，具

16、体的做法是为输入或输出操作设置两个缓冲区buffer1和buffer2。如图b：它表示产生数据的生产者总是先把产生的数据送入缓冲区1中，下一次把产生的数据送入缓冲区2中；接收者总是先从缓冲区1中取数据，再从缓冲区2中取数据。所以，整个I/O的路线是先1后2，并且交替进行。双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大量的输入和输出，同时双缓冲很难匹配设备和CPU的处理速度。因此现代计算机系统中一般使用多缓冲或缓冲池结构。30多多缓缓冲冲：系统为同类型的I/

17、O设备设置两个公共缓冲队列，一个专门用于输入，一个专门用于输出，这就是“多缓冲。当输入设备进行输入时，就到输入缓冲首指针所指的缓冲区队列里申请一个缓冲区使用，使用完毕后仍归还到该队列；当输出设备进行输出时，就到输出缓冲首指针所指的缓冲区队列中申请一个缓冲区使用，使用完毕后仍归还到该队列。31缓缓冲冲池池：系统为同类型的I/O设备设置一个公共缓冲队列，既用于输入，也用于输出。它是多缓冲的一种变异，以防止缓冲区使用上忙闲不均的现象。于是，在缓冲池中有3类缓冲区，一类现在用于输入；一类现在用于输出；还有一类为空闲，既可用于输入，也可用于输出。无论现在用于输入的还是用于输出的，它们在用完后，都归还到空

18、闲的缓冲区队列中，受系统的统一管理和调配。32缓冲区队列缓冲区队列33缓冲池的管理n缓冲池的结构缓冲池的结构 由多个缓冲区组成，每个缓冲区包括：缓冲首部标识和管理和缓冲体存放数据n 缓冲区队列n 工作缓冲区n缓冲池的管理缓冲池的管理 缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种方式下工作，工作过程见p15934缓冲池的工作缓冲区缓冲池的工作缓冲区355.4 设备分配 5.4.1 管理设备时的数据结构 从前知道，创立一个进程时，开辟一个进程控制块PCB，以便随时记录进程的信息；在把一个作业提交给系统时，系统也是开辟一个作业控制块JCB，以便随时记录作业的信息。为了管理系统中的外部设备，

19、操作系统仍然采用这种老方法：为每一台设备开辟一个存储区，随时记录系统中每一个设备的基本信息，这个存储区被称为“设设备控制表备控制表DCTDevice Control Table。36n图5-16左侧的“系统设备表SDT，表示系统中所有外部设备的DCT的集合；中间是对其中的第i个设备的DCT的放大，给出了DCT中可能有的一些表项。不难理解，随着系统的不同，DCT中所含的内容也不同。n由于设备控制块DCT中存放的是一台具体设备的有关信息，找到一个设备的DCT，就得到了该设备的特性、各种参数、使用情况等，所以DCT是设备管理中最重要的一种数据结构。37为了管理设备，系统除了为每个设备设置DCT外，整

20、个系统还要有一张所谓的“系系统统设设备备表表SDTSystem Device Table。系统初启时，每一个标准的以及用户提供的外部设备，在该表中都有一个表目，表目内容可以有该外部设备的标识、所属的类型以及它的设备控制表DCT的指针即DCT所在的起始地址。在输入/输出处理过程中，系统总是从系统设备表SDT得到一个设备的设备控制块DCT，然后从DCT中得到有关该设备的信息。3839n控制器表COCT：记录每一个控制器的情况n通道控制表CHCT：每个通道配备一张405.4.2 设备分配的原则n设备分配的原则：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，要有一套合理的分配原则n 设

21、备分配时应考虑的因素：n设备的固有属性：设备的固有属性：独占设备,共享设备、虚 拟设备n设设备备分分配配方方式式：静态分配安全分配、动态分配不安全分配n设备分配策略：设备分配策略：先来先效劳、优先级高者优先n设备分配的安全性设备分配的安全性n与设备的无关性与设备的无关性41n独占设备的分配：要考虑充分发挥效率，防止由于不合理的分配策略造成死锁n共享设备分配：由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时效劳的顺序，使平均效劳时间越短越好n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n动态分配：在进程

22、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425.4.3 设备独立性的含义n设备独立性的本质含义是指应用程序中的逻辑设备与实际系统中的物理设备是相脱离和相独立的。也就是说，程序中的一台逻辑设备究竟与系统中的哪台物理设备相联系，要到程序运行时由操作系统动态地确定。因此，程序中的同一逻辑设备在程序的屡次运行在同一或不同的机器上时，可能与多台不同的物理设备相联系。逻辑设备与物理设备的这种关系，和逻辑地址与物理地址的关系是一样的，它们使得应用程序独立于具体的机器系统，具有可移植性；同时可以使程序员不必过问存储空间和I/O设备的分配，而

23、专注于程序的正确性和优秀性的设计。学习时，应了解为什么设备独立性能提高设备分配的灵活性，并使I/O重定向的实现变得更为容易。43设备独立性的实现n为实现设备独立性，系统必须在设备驱动程序之上设置一层设备独立性软件。即为了实现设备独立性，在应用程序中应使用逻辑设备名称来请求使用某类型设备；而系统中必须设置一致逻辑设备表LUT用来进行逻辑设备到物理设备的映射，其中每个表目中包含了逻辑设备名、物理设备名和设备驱动程序入口地址三项；当应用程序用逻辑设备名请求分配I/O设备时，系统必须为它分配相应的物理设备，并在LUT中建立一个表目，以后进程利用该逻辑设备名请求I/O操作时，便可从LUT中得到物理设备名

24、和驱动程序入口地址。学习时应了解设备独立性软件有哪些功能，它是如何实现逻辑设备名到实际使用的物理设备名之间的转换的。445.5 设备处理 为了控制I/O传输，系统为每类设备编制设备驱动程序 n设备驱动程序的功能 n主要负责接收和分析从设备分配转来的信息,实现逻辑设备到物理设备的转换。n发出I/O命令，启动相应的I/O设备，完成相应的I/O操作。n管理驱动程序的特点：p168n设备驱动程序的处理过程 不同的设备有不同的设备驱动程序，但设备驱动程序大都可分为两局部，除有能驱动I/O设备工作的驱动程序外,还有设备中断处理I/O完成后的工作程序。n设备处理方式45 不同操作系统处理I/O事务所采用的形

25、式不同，主要有三种处理方式：n每类设备一个I/O进程n整个系统一个I/O进程n为各类设备设置相应的设备处理程序供外部调用 一种实现方案：I/O进程46I/O进程：专门处理系统中的I/O请求和I/O中断工作n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投入运行nI/O进程开始运行后，首先关闭中断，然后用receive去接收消息。两种情形：47管理程序管理程序保护现场保护现场组织通道程序组织通道程序保存通道程序保存通道程序的始址于的始址于CAW启动启动I/O指令指令分析条件码分析条件码启动成功使启动成功使P阻塞阻塞,另选另选程序程序q运行运行保护程序保护程序q的的现场现场分析中

26、断原因分析中断原因处理处理I/O中断中断选择可运行程序选择可运行程序 请求请求启动程序启动程序程序程序q程序程序P用户程序用户程序判断状态判断状态执行通道程序执行通道程序控制控制I/O设备设备操作操作,执行情执行情况记录在况记录在CSW出现中断事件出现中断事件CSW=主存通主存通道号道号,设备号设备号送特定存放器送特定存放器通道程序通道程序执行规定执行规定的操作的操作设备控制器和设备设备控制器和设备123456I/O的操作全过程48处理来自设备或通道的中断I/O中断处理程序中断处理处理过程1.CPU检查响应中断的条件是否满足2.假设CPU响应中断，则CPU关中断3.保护被中断进程的现场4.分析

27、中断原因、转入相应的设备中断处理程序5.进行中断处理 6.恢复被中断进程的现场7.开中断，CPU继续执行49n硬盘5.6 磁盘存储器管理501.磁盘 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，磁盘有三个主要的优点：1可用的存储容量非常大2每位的价格非常低3电源关掉后信息不会丧失51磁盘硬件n实际的硬盘都组织成许多柱面，每一个柱面上的磁道数和垂直放置的磁头个数相同n磁道又被分成许多扇区，每条磁道上扇区数目典型为8至32，每个扇区包含相同的字节数n磁盘驱动程序有重要设备特性：控制器可以同时控制两个或多个驱动器进行寻道，这就是重叠寻道overlapped seeksn当控制器和

28、软件等待一个驱动器完成寻道时，控制器可以启动另一个驱动器进行寻道。许多控制器也可以在对一个或多个其他驱动器寻道的同时在一个驱动器上进行读写操作n但是控制器不能同时读写两个驱动器读写数据要求控制器在微秒级范围传输数据，所以一个传输就基本用完了所有的计算能力52磁盘硬件nRAM 盘nRAM盘的思想很简单，它使用预先分配的主存来存储数据块。RAM盘具有立即存取的优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n实现RAM盘的思想：根据为RAM盘分配内存大小，RAM盘被分成n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，而不对软盘或硬盘进行读写RS232终端n输出缓冲区与每个终端相关联n程序向终端写时，先将输出拷贝到缓冲区n需要回送的输入也拷贝到缓冲区n当输出全部复制到缓冲区或者缓冲区满时，向终端输出第一个字符，驱动程序睡眠等待，产生中断时，输出下一个字符，如此循环，直到输出完成存储映像终端n从用户空间一次取出一个要打印的字符n然后，直接送入视频RAM53