操作系统OS_05_设备管理

第五章设备管理1第五章设备管理设备管理的对象：I/O设备、设备控制器、I/O通道。设备管理的基本任务：完成用户提出的I/O请求；提高I/O速率；提高I/O设备的利用率。设备管理的主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备、实现设备独立性。2第五章设备管理5.1I/O系统5.2I/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磁盘存储器管理第五章设备管理3I/O缓冲区的管理第五章设备管理4第五章设备管理5第五章设备管理6第五章设备管理75.1I/O系统I/O系统是用于实现数据输入、输出和数据存储的系统。5.1.1I/O设备5.1.2设备控制器5.1.3I/O通道5.1.4总线系统第五章设备管理85.1.1I/O设备1.I/O设备的类型从OS观点看，I/O设备的重要的性能指标有：设备使用特性、数据传输速率、数据的传输单位、设备共享属性等。2.设备与控制器之间的接口第五章设备管理91.I/O设备的类型按使用特性分类：存储设备，也称外存或后备存储器、辅助存储器。输入/输出设备输入设备，如键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像、各类传感器等。输出设备，如打印机、绘图仪、显示器、音箱等。交互式设备，集成上述两类设备，利用输入设备接收用户命令信息，并通过输出设备同步显示用户命令以及命令执行的结果。第五章设备管理101.I/O设备的类型低速设备，每秒钟几个字节至数百个字节。键盘、鼠标器、语音的输入和输出设备中速设备，每秒钟数千个字节至数万个字节。行式打印机、激光打印机高速设备，数百千个字节至数十兆字节。磁带机、光盘机、磁盘机第五章设备管理111.I/O设备的类型块设备(BlockDevice)用于存储信息，信息存取以数据块为单位，有结构设备。磁盘：传输速率较高；可寻址；常采用DMA方式。字符设备(CharacterDevice)用于数据的输入和输出，无结构设备。交互式终端、打印机等。传输速率低，不可寻址，常采用中断驱动方式。第五章设备管理121.I/O设备的类型独占设备，指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，即：临界资源。共享设备，指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备，对每一个时刻只允许一个进程访问该设备。可寻址，可随机访问（磁盘）虚拟设备，指通过虚拟技术将一台独占设备变为若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使用。第五章设备管理132.设备与控制器之间的接口设备与CPU之间通过设备控制器通信。在设备中应含有与设备控制器之间的接口，在该接口中有三种类型的信号，各对应一条信号线。缓冲转换器控制逻辑数据信号线状态信号线控制信号线I/O设备设备控制器CPU信号数据第五章设备管理145.1.2设备控制器职责：控制一个或多个I/O设备，实现I/O设备与计算机之间的数据交换，是CPU和I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。可编址：一个地址对应一个设备。分类：字符设备控制器；块设备控制器。第五章设备管理151.设备控制器的基本功能接收和识别命令在控制器中应具有控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并进行译码。数据交换（数据寄存器）实现CPU与控制器，控制器与设备间的数据交换。标识和报告设备的状态控制器中的状态寄存器记录设备的状态供CPU了解。第五章设备管理161.设备控制器的基本功能（续）地址识别每个设备都有一个地址，控制器必须能识别，需配置地址译码器。数据缓冲解决I/O设备与CPU、内存速度不匹配的矛盾。差错控制控制器兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测，保证数据输入的正确性。第五章设备管理172.设备控制器的组成地址识别数据缓冲差错控制CPU与控制器接口控制器与设备接口数据线地址线控制线数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口n………数据状态控制数据状态控制设备控制器的组成地址识别数据缓冲差错控制CPU与控制器接口控制器与设备接口数据线地址线控制线数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口n………数据状态控制数据状态控制设备控制器的组成第五章设备管理185.1.3I/O通道1.I/O通道设备的引入目的：原来CPU的I/O任务由通道来承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。特征：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（I/O）程序来控制I/O操作。与一般处理机的区别：指令类型单一（仅能执行与I/O操作有关的指令）。没有自己的内存（通道与CPU共享内存）。第五章设备管理192.通道类型通道是用来控制外围设备的，由于外围设备的类型较多，且其传输速率相差较大，因而使通道具有多种类型。根据信息交换方式的不同，可把通道分为三种类型：1）字节多路通道2）数组选择通道3）数组多路通道第五章设备管理202.通道类型（续）1）字节多路通道（ByteMultiplexorChannel）是一种按字节交叉方式工作的通道。一次交换一个字节。含有许多非分配型子通道。子通道采用多路分时复用－－按时间片轮转方式共享主通道。控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备…第五章设备管理212.通道类型（续）2）数组选择通道（BlockSelectorChannel）按数组方式进行数据传送。含有一个分配型子通道。一段时间内只执行一道通道程序，控制一台设备。设备独占通道，通道利用率低。3）数组多路通道（BlockMultiplexorChannel）含有许多非分配型子通道，分时并行操作。按数组方式进行数据传送。第五章设备管理22字节多路通道数组选择通道数组多路通道第五章设备管理233.“瓶颈”问题通道资源有限，系统需要同时启动的设备可能较多，使它成为I/O的瓶颈，进而造成整个系统吞吐量的下降。设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器单通路I/O系统第五章设备管理24解决“瓶颈”问题的方法增加通路，不增加通道。不仅解决瓶颈问题，而且提高了系统的可靠性。I/O设备控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备I/O设备I/O设备第五章设备管理255.1.4总线系统总线是系统模块之间传送信息的公用通路。CPU、存储器、I/O设备之间通过总线链接。总线的性能用时钟频率，带宽，传输速率来衡量。CPU存储器磁盘控制器打印机控制器…其它控制器磁盘驱动器打印机系统总线第五章设备管理26总线型I/O系统的结构第五章设备管理27通道型的I/O系统结构第五章设备管理28具有控制器的I/O系统结构第五章设备管理291.ISA和EISA总线ISA：1984年为80286型微机设计，带宽：8位16位，最高传输速率：2Mbps8Mbps16Mbps，能连接12台设备。EISA：1989年，带宽：32位，最高传输速率：32Mbps，能连接12台设备。第五章设备管理302.局部总线（LocalBus）定义：将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等从ISA总线上卸下来，再通过局部总线控制器直接接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相匹配。VESA总线：总线带宽为32位，最高传输速率：132Mbps，能连接2~4台设备，控制器中无缓冲；难于适应处理器速度的不断提高，不能支持Pentium微机。PCI总线：支持64位系统，最高传输速率：132Mbps，能支持10种外设，有一个复杂的管理层，管理层中配有数据缓冲。第五章设备管理31第五章设备管理32第五章设备管理335.2I/O控制方式宗旨：尽量减少主机对IO控制的干预，把主机从繁杂的IO控制事务中解脱出来。1.程序I/O方式2.中断驱动I/O控制方式3.直接存储器访问DMAI/O控制方式4.I/O通道控制方式第五章设备管理34第五章设备管理35第五章设备管理36程序I/O方式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字检查状态?传送完成？出错完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存未完未就绪(=1)下条指令就绪(=0)第五章设备管理372.中断驱动I/O控制方式中断驱动I/O过程启动：由CPU根据进程的I/O请求，向设备控制器发出一条I/O命令；此后CPU继续执行其它进程，即CPU与外设并行工作。I/O设备完成操作后，由控制器通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查I/O操作是否正确。若无错，便向设备控制器发送取走数据的信号，将数据写入内存。第五章设备管理38中断驱动I/O控制方式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字检查状态传送完成？出错完成CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存未完下一条指令就绪CPU做其它事中断第五章设备管理392.中断驱动I/O控制方式（续）优点CPU与I/O并行工作，提高了资源利用率和吞吐量。缺点CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字节），只适于传输率较低的设备。第五章设备管理403.直接存储器访问(DMA)I/O控制方式DMA（DirectMemoryAccess）控制方式的引入适应一次传送大量数据的应用要求；尽量减少CPU对高速外设的干预；基本思想：在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。特点数据传输的基本单位是数据块。数据从设备直接送入内存，或者相反。仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。第五章设备管理41DMA方式向I/O控制器发布读块命令读DMA控制器的状态下条指令CPU做其它事中断CPU→DMADMA→CPU第五章设备管理42DMA控制器的组成CPU内存主机－控制器接口DRMARDCCRI/O控制逻辑控制器与块设备接口…DMA控制器系统总线命令count为实现主机与控制器之间成块数据的交换，需设置：命令/状态寄存器CR内存地址寄存器MAR数据寄存器DR:暂存从设备到内存的数据，或反之数据计数器DC:存放本次CPU要读或写的字(节)数第五章设备管理43DMA工作过程设置MAR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字存储器地址增1字计数寄存器减1DC＝0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备又一次传送否是第五章设备管理44DMA方式与中断的主要区别中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理。DMA方式则是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，大大减少了CPU进行中断处理的次数。中断方式的数据传送是由CPU控制完成的，而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的。第五章设备管理454.I/O通道控制方式I/O通道控制方式是DMA方式的发展：CPU一次读(或写)多个数据块。多个数据块送入不同内存区域。CPU、通道和I/O设备三者可并行操作。工作过程：CPU向通道发送一条I/O指令。给出通道程序首址和要访问的I/O设备。通过执行通道程序完成I/O任务。第五章设备管理46通道程序通道是通过执行通道程序，并与设备控制器共同实现对I/O设备的控制的。通道程序由一系列通道指令(通道命令)构成。通道指令与一般的机器指令不同，每条通道指令包含的信息：操作码：指令执行的操作：读、写、控制等。内存地址：字符送入/取出内存的首址。计数：表示本条指令所要读/写数据的字节数。通道程序结束位P（P=1表示程序结束）记录结束标志R（R=0表示与下一条指令处理的数据属于同一记录；R=1表示某记录的最后一条指令）第五章设备管理47通道程序操作PR计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE