第9章设备管理.ppt

1、第9章设备管理，9.1引言9.2数据传输控制方式9.3中断技术9.4缓冲技术9.5设备分配9.6 I/O过程控制，9.1引言，外部设备校正机系统中除CPU和存储器以外的所有设备和装置称为校正机外部设备存储设备：存储各种信息的设备称为存储设备。 例如软盘、硬盘、光盘、磁带等I/O设备：用于向计算机输入输出信息的设备。 例如键盘、鼠标、显示器、打印机等。 现代的计算机系统还有一些设备可以同时创建存储设备和I/O设备(软盘、硬盘等)。 设备管理是I/O管理，它是操作系统的重要组成部分，负责管理系统的所有外部设备，9.1引言，计算机周边种类多，特性不同：速度不同外部设备的传输速度差异相当大，如键盘的传

2、输速度传输单位一些设备的传输单位是键盘、打印机、显示器等字节；一些传输单位是软盘、硬盘、磁带等字符块；传输单位是位，例如个人计算机的串行许可的操作(操作特性)设备完成的操作的种类各不相同，例如，打印机只许可写入操作，键盘只能读取操作，光盘可读取，可写入的错误条件不同的设备中，错误条件也不同。 也就是说，打印机有断纸错误、磁盘I/O有奇偶校验错误等，数据传输失败的原因有很多。 9.1引言，设备管理的重要性I/O设备是校准机系统的五官和四肢I/O性能常成为系统性能瓶颈的CPU性能与系统性能不相等：响应时间是重要因素CPU性能高，与I/O之差越大，进程切换越多，系统开销越大都是从I/O理解I/O的工

3、作过程和结构是操作系统的工作过程和结构的关键与其他功能密切相关，特别是文件系统，9.1引言，9.1设备的种类按使用特性对存储设备输入输出设备终端设备的离线设备进行分类，图9.1按使用特性对外部设备的9.1设备种类、外部设备依赖关系的系统设备：操作系统生成时已经配置的各种标准设备，如终端、打印机、盘机等用户设备：系统生成时未配置的非标准设备，用户自己安装配置后例如，A/D、D/A转换器、CAD专用设备打印机、磁带等共享设备：在一定期间可以共同使用多个进程的设备、使用多个进程交叉的设备的资源利用率高。例如，硬盘虚拟设备：用一种设备模拟另一种设备，经常用共享设备模拟垄断设备，用高速设备模拟低速设备，

4、将模拟的设备称为虚拟设备的目的：将低速垄断设备改造为多用户可共享的设备，提高设备利用率的例子，轮询技术， 利用硬盘模拟输入输出设备，按9.1设备的种类传输数据数区块设备：以数据块为单位存储传输信息的文字设备：从以文字为单位存储传输信息的程序使用角度出发，按数据传输速率将逻辑设备、物理设备分为高速设备、低速设备， 9.1.2设备管理功能和任务设备管理主要任务数据传输操作的输入/输出设备的选择和分配控制输入/输出设备和CPU (或存储器)之间的数据交换是指在设备和设备之间、CPU和设备之间、进程和进程之间的并行操作速度设备管理程序的功能提供和过程管理系统的接口设备分配和回收利用实现设备与设备之间，

5、CPU与设备等之间的并行操作I/O缓冲器管理，9.1.3 I/O系统的硬件配置，设备配置I/O设备一般由机械和电子两部分组成的机械部分：设备本身(电子部分：控制卡通常有插座，用电缆与设备连接的控制器和设备之间的接口是标准接口，符合ANSI、IEEE、ISO等国际标准，设备控制器、设备控制器：设备和主机之间的连接对应地址数据交换单位为：控制文字设备的控制器、控制模块设备的控制器的各控制器使用控制寄存器、状态寄存器、数据寄存器、CPU、控制器、外围设备、设备控制器、设备控制器设备控制器和CPU的接口数据寄存器控制/状态寄存器设备控制器和设备的接口数据信号控制信号状态信号I/O逻辑：控制I/O，设备

6、控制器、设备控制器的功能接收命令并进行解码(同时解码地址以与多个设备中的一个相对应。 数据交换(数据寄存器):通过主机I/O指令，实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换。设备状态(状态寄存器):记录控制设备的当前状态，提供CPU进行I/O时的询问条件、总线、设备和主机的硬连接中引入总线，节省连接，扩展配置和变更时的灵活总线，计算机系统的各子系统(CPU、存储器相互连接是共享的总线分类：数据总线、地址总线、控制总线的优点：低成本(一线多用途)灵活性(容易增加设备，容易在两个计算机系统之间共享外围设备)的缺点：自身形成通信瓶颈，限制I/O吞吐量不同规模的I/O系统结构也不同的单总线模型：微

7、机和小型计算机系统采用单总线I/O系统结构，实现CPU通过设备控制器进行I/O数据传输的多总线模型：一些中、大型o微机总线I/O系统配置、总线、PCI总线控制器、处理器(CPU )、主内存、视频卡、SCSI总线控制器、 外围控制器设备管理的主要任务之一：控制设备与内存或CPU之间数据传输的选择和控制方式的测量原则：数据传输速度足够快，可以满足用户的需要，但不会丢失数据。 系统开销小，需要的处理控制程序少充分发挥硬件资源的能力，I/O设备尽可能忙，CPU等待时间少，9.2数据传输控制方式，常用的数据传输控制方式程序直接控制方式中断控制方式DMA方式(9.2.1程序直接控制方式、程序直接控制方式：

8、基于用户进程的直接该方式的控制者：用户进程在用户进程需要数据的情况下，用户进程通过CPU发出启动设备准备数据的启动命令“Start”，并进行测试CPU持续测试外部设备状态外部设备准备数据传输时，完成状态CPU检测控制状态寄存器为完成状态的设备开始的图9.2程序直接控制方式、9.2.2中断控制方式、中断方式：控制外围设备和存储器或者CPU间的数据传输CPU I/O部件准备数据后，利用中断通知CPU，通过CPU传送数据中断请求线： CPU和设备(或控制器)之间的中断许可位：设备控制器的状态寄存器中的中断方式的传送结构如图9.3、图9 9.2.2中断控制方式CPU和外围设备并行操作的输入准备完成，控

9、制器向CPU发送中断信号，在CPU上连接中断信号，保护现场，中断处理程序中断处理程序完成后结束中断，重新开始现场，将控制转移到被中断的执行位置程序的继续执行、程序的继续执行、9.2.2中断控制方式、图9.4中断控制方式的处理过程、9.2.2中断控制方式、优点： CPU不需要反复测试寄存器状态，对于多通道程序和各种高速外围设备或者，如果您希望进行分组数据交换，则高速外围设备可能会因为中断方式而无法及时响应而丢失数据，而分组数据交换可能会经过多次中断，显得过慢。中断驱动方式为中低速设备、9.2.3 DMA方式、DMA方式(直接访问方式)的基本思想：在外部设备与内存之间直接打开数据交换路径。 也就是

10、说，DMA负责整个I/O，不需要通过CPU寄存器进行传送，全部传送结束后向CPU发送中断信号。 CPU向DMA部件发送I/O命令后，可以进行其他工作。 指向DMA的命令包括操作类别、I/O设备的地址、读写数据存储器中的起始地址、字数。 因此，需要控制状态寄存器数据缓冲寄存器传送字节数寄存器存储器地址寄存器、DMA控制器、控制状态寄存器、图9.5 DMA方式的传送结构、CPU、存储器、数据、Start、Int、I/O设备等。 DMA动作进程1从块磁盘开始的存储器，地址，缓冲器，字节数，控制，CPU，DMA控制器，磁盘控制器，存储器，磁盘， 此外，由于将控制状态寄存器中的中断许可位和启动位置设为1

11、，所以启动设备发出数据传输请求的进程成为待机状态，执行命令暂时挂起，进程调度器使其他进程继续使用CPU输入设备的CPU的动作周期将数据缓冲寄存器的数据源写入存储器，在传送完成DMA控制器完成传送字节数之前，CPU接收中断信号，中断处理程序处理中断处理结束后，CPU进入中断的进程， 切换到新的进程DMA方式的处理步骤为图9.6 DMA方式的数据传输处理步骤、9.2.3 DMA方式、DMA的特征数据在存储器和设备之间直接传输，CPU不介入的DMA向CPU发出一个中断请求，数据的传输控制为DMA 适合于速度快、高速的组数据传输的数据块在传输中CPU和外围设备并行动作，比中断控制方式并行性高，DMA方

12、式和中断方式有主要的不同，中断方式在数据缓冲器占满后，CPU进行中断处理中断方式的数据传送通过CPU控制进行，DMA方式在DMA控制器的控制下不经过CPU控制进行。 9.2.4信道控制方式、DMA的不足DMA适合于高速设备，但DMA控制器仅通过连接少量的同种设备DMA就能够实现一个块连续传输，但每次仅能够传输一个块，而地址是连续的。 在传输了多个数据块时，需要多次启动DMA，因此也发生多次的中断处理，9.2.4信道控制方式是信道的牵引信道能够同时实现多个离散数据块的传输。 通道也可以使用命令来控制设备，例如卷带操作。 通道实现了更复杂的I/O控制定义。 通道是独立于CPU的专用I/o控制硬件，

13、用于控制设备和内存之间的直接数据交换。 CPU启动，操作结束时有向CPU发送中断信号的独自的频道命令，频道命令和频道程序，频道动作原理频道包含频道命令(空操作，读出操作，写入操作，控制，传送操作)，这些命令此外，通道地址字CAW、用于记录通道程序的存储器中地址通道命令字CCW、用于存储正在执行的通道命令的通道状态字CSW、用于存储执行通道之后的返回结果的通道数据字CDW、传输数据通道以循环窃取方式获取，I/O处理器采用数据传输类：读取、回写、写入、测试设备状态等设备控制类：控制分页、 磁带卷帘等传送类：实现通道程序内部控制的传送指令格式一般为操作码数据传送存储器地址特征位计数、通道指令的格式， 0操作码：通道执行的指令数据传送存储器地址：本指令访问的存储器数据区域的开头地址特征位：进一步规定本通道指令的意思字节数，什么也不做， 取下一个命令继续作业传送操作用命令内的主存储器地址取另一个通道命令读取操作从指定的设备读取数据写入操作向指定的设备输出一系列数据控制型操作外部设备的非传送性动作、磁带的卷起、 表示结束控制磁盘臂的移动、印刷用纸的分页等的操作的通道程序结束，在CSW中记录正常结束标志，向主机发出通道中断，在进程请求数据时，系统自动发出通道指令、通道指令例如，两个指令write 250，0，0，1780 write 500，1，1，2000将以