[精选]第5章设备管理(1).pptx

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1、第第5章章设备管理设备管理5.0本章学习目标本章学习目标5.1概述概述5.2数据传送控制方式数据传送控制方式5.3缓冲技术缓冲技术5.4设备分配技术设备分配技术5.5I/O进程控制进程控制开开始始本章学习目标本章学习目标l l数数据据传传送送的的4种种方方式式：程程序序直直接接控控制制方方式式、中断控制方式、中断控制方式、DMA方式及通道控制方式方式及通道控制方式l l缓缓冲冲技技术术的的概概念念及及4种种常常见见的的缓缓冲冲技技术术：单缓冲、双缓冲、环形缓冲及缓冲池单缓冲、双缓冲、环形缓冲及缓冲池l l设设备备分分配配的的概概念念及及3种种设设备备分分配配技技术术：独独享分配、共享分配及虚拟

2、分配享分配、共享分配及虚拟分配l lI/O进程控制进程控制返回本章首页返回本章首页5.1概述概述5.1.1设备类型设备类型5.1.2设备管理的任务和功能设备管理的任务和功能5.1.3设备控制块设备控制块DCB返回本章首页返回本章首页5.1.1设备类型设备类型1按操作特性分类按操作特性分类按这种方法可把外部设备分为存储设备和输入按这种方法可把外部设备分为存储设备和输入/输出输出I/O设备。设备。2按传输的信息特点分类按传输的信息特点分类按这种方法可将外部设备分为字符设备和块设备。按这种方法可将外部设备分为字符设备和块设备。3按系统和用户的观点分类按系统和用户的观点分类按这种观点可将外部设备分为系

3、统设备和用户设按这种观点可将外部设备分为系统设备和用户设备两种。备两种。返回本节返回本节5.1.2设备管理的任务和功能设备管理的任务和功能1设备管理的任务设备管理的任务提高设备的利用率设备独立性字符编码的独立性设备处理的一致性下一页下一页2设备管理的功能设备管理的功能1监视系统中所有设备的状态。监视系统中所有设备的状态。2设备分配。设备分配。3设备控制是设备管理的另一功能，它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作过程是在设备处理的程序中发出驱动某设备工作的设备工作的I/O指令后，再执行相应的

4、中断指令后，再执行相应的中断处理。处理。返回本节返回本节5.1.3设备控制块设备控制块DCB1DCB结构结构1设设备备名名。它它是是设设备备的的系系统统名名，即即设设备备的的物物理名。理名。2设备属性。它描述设备的特性和类型。设备属性。它描述设备的特性和类型。3设备状态。它描述设备现行的状态。设备状态。它描述设备现行的状态。4设设备备的的I/O总总线线地地址址。它它反反映映现现行行设设备备在在I/O总线上的具体地址。总线上的具体地址。5等等待待列列指指针针。它它存存放放要要求求使使用用该该设设备备的的队队列的首指针。列的首指针。下一页下一页下一页下一页2设备转换表对对设设备备的的请请求求最最终

5、终要要转转换换成成对对设设备备的的I/O操操作作，系系统统可可以以通通过过操操作作码码检检索索“设设备备转转换换表表找找到到相相应应的的设设备备地地址址。该该转转换换表表包包含含设设备备特特定定的的I/O例例行行程程序序地地址址，不不具具备备相相应应操操作作的的设设备备在在其其例例行行程程序序地地址址上上要要填填“-1。返回本节返回本节5.2数据传送控制方式数据传送控制方式5.2.1程序直接控制方式程序直接控制方式5.2.2中断控制方式中断控制方式5.2.3DMA方式方式5.2.4通道控制方式通道控制方式返回本章首页返回本章首页5.2.1程序直接控制方式程序直接控制方式程程序序直直接接控控制制

6、方方式式是是指指由由程程序序直直接接控控制制内内存存或或CPU和和外外围围设设备备之之间间进进行行信信息息传传送送的的方方式式。通通常常又又称称为为“忙忙等等方方式式或或循循环环测试方式。测试方式。在在数数据据传传送送过过程程中中，必必不不可可少少的的一一个个硬硬件件设设备备是是I/O控控制制器器，它它是是操操作作系系统统软软件件和和硬硬件件设设备备之之间间的的接接口口，它它接接收收CPU的的命命令令，并控制并控制I/O设备进行实际的操作。设备进行实际的操作。下一页下一页下下面面讲讲述述程程序序直直接接控控制制方方式式的的工工作作过过程程。由由于于数数据据传传送送过过程程中中输输入入和和输输出

7、出的的情情况况比比较较类类似似，下下面面只给出输出数据时的工作过程。只给出输出数据时的工作过程。1把把一一个个启启动动位位为为“1的的控控制制字字写写入入该该设设备备的控制状态存放器。的控制状态存放器。2将需输出数据送到数据缓冲存放器。将需输出数据送到数据缓冲存放器。3测测试试控控制制状状态态存存放放中中的的“完完成成位位，假假设设为为0，转，转2，否则转，否则转4。4输输出出设设备备将将数数据据缓缓冲冲存存放放器器中中的的数数据据取取走走进行实际的输出。进行实际的输出。返回本节返回本节5.2.2中断控制方式中断控制方式1进进程程需需要要数数据据时时，将将允允许许启启动动和和允允许许中中断断的

8、的控控制制字字写写入入设设备备控控制状态存放器中，启动该设备进行输入操作。制状态存放器中，启动该设备进行输入操作。2该该进进程程放放弃弃处处理理机机，等等待待输输入入的的完完成成。操操作作系系统统进进程程调调度度程程序序调度其他就绪进程占用处理机。调度其他就绪进程占用处理机。3当当输输入入完完成成时时，输输入入设设备备通通过过中中断断请请求求线线向向CPU发发出出中中断断请请求求信号。信号。CPU在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。4中中断断处处理理程程序序首首先先保保护护现现场场，然然后后把把输输入入缓缓冲冲存存放放器器中中的的数数据据传传送送到到

9、某某一一特特定定单单元元中中去去，同同时时将将等等待待输输入入完完成成的的那那个个进进程程唤唤醒醒，进入就绪状态，最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续执行。进入就绪状态，最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续执行。5在在以以后后的的某某一一时时刻刻，操操作作系系统统进进程程调调度度程程序序选选中中提提出出的的请请求求并并得得到到获获取取数数据据的的进进程程，该该进进程程从从约约定定的的内内存存特特定定单单元元中中取取出出数数据据继继续工作。续工作。返回本节返回本节5.2.3DMA方式方式DMA方方式式又又称称直直接接存存储储器器访访问问DirectMemoryAccess方方式式。其其基基本

10、本思思想想是是在在外外设设和和主主存存之之间间开开辟辟直直接接的的数数据交换通路。据交换通路。DMA方式的特点是：方式的特点是：1数据传送的基本单位是数据块。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。所传送的数据是从设备送内存，或者相反。3仅仅在在传传送送一一个个或或多多个个数数据据块块的的开开始始和和结结束束时时，才才需需中中断断CPU，请请求求干干预预，整整块块数数据据的的传传送送是是在在DMA控控制制器器控制下完成的。控制下完成的。下一页下一页图图5.1DMA控制器与其他部件的关系控制器与其他部件的关系返回本节返回本节5.2.4通道控制方式通道控制方式通道控制方

11、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。下一页下一页每条通道指令应包含以下的内容：每条通道指令应包含以下的内容：1操操作作码码：它它规规定定指指令令所所执执行行的的操操作作，如如读读、写等。写等。2内存地址：标明数据传送时内存的首址。内存地址：标明数据传送时内存的首址。3计数：表示传送数据的字节数。计数：表示传送数据的字节数。4通通

12、道道程程序序结结束束位位R0，表表示示通通道道程程序序是是否否结结束。束。5记记录录结结束束标标志志R1，表表示示所所处处理理的的记记录录是是否否结束。结束。下一页下一页下下面面给给出出一一个个由由三三条条通通道道指指令令所所构构成成的的简简单单程序。程序。该该程程序序是是将将内内存存中中不不同同地地址址的的数数据据写写成成多多个个记录。记录。操作操作R0R1计数计数内存地内存地址址WRITE00801420WRITE011702120下一页下一页图图5.2通道方式的数据传送结构通道方式的数据传送结构下一页下一页通道控制方式的数据过程如下：通道控制方式的数据过程如下：1当当进进程程要要求求设设

13、备备输输入入时时，CPU发发指指令令指指明明I/O操操作作、设设备备号和对应通道。号和对应通道。2对对应应通通道道收收到到CPU发发来来的的启启动动指指令令后后，读读出出内内存存中中的的通通道指令程序、设置对应设备的控制状态存放器的初值。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。设备按通道指令的要求，把数据送往内存指定区域。4假假设设传传送送结结束束，I/O控控制制器器通通过过中中断断请请求求线线发发中中断断信信号号请请求求CPU做中断处理。做中断处理。5中断处理结束后，中断处理结束后，CPU返回到被中断进程处继续执行。返回到被中断进程处继

14、续执行。6当当进进程程调调度度程程序序选选中中这这个个已已得得到到数数据据的的进进程程后后，才才能能进进行加工处理。行加工处理。返回本节返回本节5.3缓冲技术缓冲技术5.3.1 5.3.1 缓冲的引入缓冲的引入5.3.2 5.3.2 单缓冲单缓冲 5.3.3 5.3.3 双缓冲双缓冲 5.3.4 5.3.4 环形缓冲环形缓冲5.3.5 5.3.5 缓冲池缓冲池返回本章首页返回本章首页5.3.1缓冲的引入缓冲的引入引入缓冲的主要目的有以下几点。引入缓冲的主要目的有以下几点。1缓和处理机和缓和处理机和I/O设备间速度不匹配的矛盾设备间速度不匹配的矛盾2减少对减少对CPU的中断次数的中断次数3提高提

15、高CPU和和I/O设备之间的并行性设备之间的并行性返回本节返回本节5.3.2单缓冲单缓冲单单缓缓冲冲是是操操作作系系统统提提供供的的最最简简单单的的一一种种缓缓冲冲形形式式。每每当当一一个个进进程程发发出出一一个个I/O请请求求时时，操操作作系系统统便便在在主主存存中中为为之之分分配配一一缓缓冲冲区区，该该缓缓冲冲区区用用来来临临时时存存放放输输入入/输输出出数数据。据。返回本节返回本节5.3.3双缓冲双缓冲解决外设之间并行工作的最简单的方法是设置双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，具体的做法是为输入或缓冲。在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设置两个缓冲

16、区输出操作设置两个缓冲区buffer1和和buffer2。双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式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能进一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输和外设的并行程度，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很难匹配设备和CPU的处理速度。因此现代计算的处理速度。因此现代计算机系统中一般使用环形缓冲或缓冲池结构。机系

17、统中一般使用环形缓冲或缓冲池结构。返回本节返回本节5.3.4 环形缓冲环形缓冲环环形形缓缓冲冲技技术术是是在在主主存存中中分分配配一一组组大大小小相相等等的的存存储储区区作作为为缓缓冲冲区区，并并将将这这些些缓缓冲冲区区链链接接起起来来，每每个个缓缓冲冲区区中中有有一一个个指指向向下下一一个个缓缓冲冲的的指指针针，最最后后一一个个缓缓冲冲区区的的指指针针指指向向第第一一个个缓缓冲冲区区，这这样样n个个缓缓冲冲区区就就成成了了一一个个环环形形。此此外外，系系统统中中有有个个缓缓冲冲区区链链首首指指针针指指向向第第一一个个缓缓冲冲区区。环环形形缓缓冲冲区区结结构构如图如图5.3所示。所示。下一页下

18、一页图图5.3环形缓冲区结构环形缓冲区结构返回本节返回本节5.3.5 缓冲池缓冲池从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。1缓冲池的组成缓冲池的组成缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型：空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数据的缓冲区。2缓冲池的工作方式缓冲池的工作方式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。下一页下一页图图5.4缓冲区队列缓冲区缓冲区队列缓冲区下一页下一页图图5.5缓冲池的工作缓冲区缓冲池的工作缓冲区返回本节返回本节5.4设备分配技术设备分配技术5.4.1独享设备的分配独享设备的分配5.4.2共享设备的分配共享设备的分配5.4.3虚拟设备的分配与假

19、脱机技术虚拟设备的分配与假脱机技术返回本章首页返回本章首页5.4.1独享设备的分配独享设备的分配所谓独享设备是指这类设备被分配给一个作业后，所谓独享设备是指这类设备被分配给一个作业后，被这个作业所独占使用，其他的任何作业不能使被这个作业所独占使用，其他的任何作业不能使用，直到该作业释放该设备为止。常见的独享设用，直到该作业释放该设备为止。常见的独享设备有行打印机、光电输入机等。针对独享设备，备有行打印机、光电输入机等。针对独享设备，系统一般采用静态分配方式。即在一个作业执行系统一般采用静态分配方式。即在一个作业执行前，将它所需要使用的这类设备分配给它，当作前，将它所需要使用的这类设备分配给它，

20、当作业结束撤离时，才将分配给它的独享设备收回。业结束撤离时，才将分配给它的独享设备收回。返回本节返回本节5.4.2共享设备的分配共享设备的分配所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设备。所谓共享设备是指允许多个用户共同使用的设备。如磁盘、磁鼓等设备，可由多个进程同时进行访如磁盘、磁鼓等设备，可由多个进程同时进行访问。设备的共享有两层含义：一是指对设备介质问。设备的共享有两层含义：一是指对设备介质的共享，如磁盘上的各扇区。二是指对磁盘等驱的共享，如磁盘上的各扇区。二是指对磁盘等驱动器的共享，多个用户访问这些设备上的信息是动器的共享，多个用户访问这些设备上的信息是通过驱动器来实现的。通过驱动器来实

21、现的。对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式对共享设备的分配一般采用动态分配这一方式。下一页下一页常见的设备分配方法有两种。1先来先效劳先来先效劳2优先级高者优先优先级高者优先返回本节返回本节5.4.3虚拟设备的分配与假脱机技术虚拟设备的分配与假脱机技术1虚拟设备的分配虚拟设备的分配2假脱机技术假脱机技术3假脱机系统的组成假脱机系统的组成4假脱机系统的特点假脱机系统的特点下一页下一页1虚拟设备的分配虚拟设备的分配所所谓谓虚虚拟拟设设备备是是指指代代替替独独享享设设备备的的那那局局部部存存储储空空间间及及有有关关的的控控制制结结构构。对对虚虚拟拟设设备备采采用用的的是是虚虚拟拟分分配配，其其过

22、过程程是是：当当进进程程中中请请求求独独享享设设备备时时，系系统统将将共共享享设设备备的的一一局局部部存存储储空空间间分分配配给给它它。进进程程与与设设备备交交换换信信息息时时，系系统统把把要要交交换换的的信信息息存存放放在在这这局局部部存存储储空空间间，在在适适当当的的时时候候对对信信息息作作相相应应的的处处理理。如如打打印印时时，把把要要打打印印的的信信息息送送到到某某个个存存储储空空间间中中，在在打打印印机机空空闲闲时时将将存存储储空空间间上上的的信信息息送送到打印机上打印出来。到打印机上打印出来。下一页下一页2假脱机技术假脱机技术通过共享设备来模拟独享设备所采用的操作是假脱机操作，即在

23、联机情况下外部设备设备同时操作。所使用的假脱机技术称之为假脱机技术。下一页下一页3假脱机系统的组成假脱机系统的组成输入井和输出井输入井和输出井输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区输入进程和输出进程输入进程和输出进程下一页下一页图图5.6假脱机系统的组成假脱机系统的组成下一页下一页4假脱机系统的特点假脱机系统的特点1提提高高了了I/O速速度度。从从对对低低速速I/O设设备备进进行行的的I/O操操作作变变为为对对输输入入井井或或输输出出井井的的操操作作，如如同同脱脱机机操操作作一一样样，提提高高了了I/O速速度度，缓缓和和了了CPU与与低低速速I/O设设备备速速度度不匹配的矛盾。不匹配的矛

24、盾。2设设备备并并没没有有分分配配给给任任何何进进程程。在在输输入入井井或或输输出出井井中中，分分配配给给进进程程的的是是一一存存储储区区和和建建立立一一张张I/O请请求求表。表。3实实现现了了虚虚拟拟设设备备功功能能。多多个个进进程程同同时时使使用用一一独独享享设设备备，而而对对每每一一进进程程而而言言，都都认认为为自自己己独独占占这这一一设备，不过，该设备是逻辑上的设备。设备，不过，该设备是逻辑上的设备。返回本节返回本节5.5I/O进程控制进程控制5.5.1用户进程的输入输出请求用户进程的输入输出请求5.5.2设备驱动程序设备驱动程序5.5.3中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程返

25、回本章首页返回本章首页5.5.1用户进程的输入输出请求用户进程的输入输出请求用用户户进进程程的的输输入入输输出出请请求求包包括括：申申请请进进行行I/O操操作作的的逻逻辑辑设设备备名名要要求求的的操操作作、传传送送数数据据的的长长度度和和起起始始地地址址等等。典典型型的的用用户户进进程程的的输输入入输输出出请请求求可可通过下述通用的系统调用命令来实现：通过下述通用的系统调用命令来实现：doiodev,mode,bmount,bddr其其中中：dev表表示示执执行行I/O的的逻逻辑辑设设备备名名；mode表表示示操操作作的的类类型型，如如读读、写写等等；bmount表表示示传传输输的的数数目；目

26、；bddr表示数据传送的地址。表示数据传送的地址。返回本节返回本节5.5.2设备驱动程序设备驱动程序1设备驱动程序的功设备驱动程序的功能能1实现逻辑设备到物理设备的转换。实现逻辑设备到物理设备的转换。2发出发出I/O命令，启动相应的命令，启动相应的I/O设备，完成设备，完成相应的相应的I/O操作。操作。2设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程不不同同的的设设备备有有不不同同的的设设备备驱驱动动程程序序，但但设设备备驱驱动动程程序序大大都都可可分分为为两两局局部部，除除有有能能驱驱动动I/O设设备备工工作作的的驱驱动动程程序序外外，还还有有设设备备中中断断处处理理I/O完完成成后后的工作程序。的工作程序。返回本节返回本节5.5.3中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程中断处理程序的处理过程如下：中断处理程序的处理过程如下：1唤醒被阻塞的驱动程序进程唤醒被阻塞的驱动程序进程2保护被中断进程的现场保护被中断进程的现场3分析中断原因、转入相应的设备中分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序断处理程序4进行中断处理进行中断处理5恢复被中断进程的现场恢复被中断进程的现场返回本节返回本节THANKYOUVERYMUCH！本章到此结束，本章到此结束，谢谢您的光临！谢谢您的光临！返回本章首页返回本章首页结结束束