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当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 第7章设备管理-副本
华北电力大学计算机系设备管理的目标提高设备的利用率为此,应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度,主要利用的技术有:中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。为用户提供方便、统一的界面所谓方便,是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便地使用设备。所谓统一,是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式,例如各种字符设备用一种I/O操作方式。这就要求用户操作的是简便的逻辑设备,而具体的I/O物理设备由操作系统去实现,这种性能常常被称为设备的独立性。第七章设备管理华北电力大学计算机系设备管理功能设备分配指设备管理程序按照一定的算法把某一个I/O设备、及其相应的设备控制器和通道分配给某一用户(进程),对于未分配到的进程,则插入等待队列中。缓冲区管理为了解决CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾,在它们之间配置了缓冲区。这样设备管理程序又要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。第七章设备管理华北电力大学计算机系实现物理I/O设备的操作对于未设置通道的系统,设备管理程序直接驱动设备进行I/O操作。对于具有通道的系统,设备管理程序根据用户提出的I/O请求,生成相应的通道程序并提交给通道,然后用专门的通道指令启动通道,对指定的设备进行I/O操作,并能响应通道的中断请求。第七章设备管理华北电力大学计算机系内容I/O系统的组成I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理第七章设备管理华北电力大学计算机系目的及要求了解I/O系统的结构和I/O设备的类型,领会设备控制器的功能和组成;理解并掌握I/O控制方式;了解引入缓冲的原因,领会单缓冲、双缓冲、循环缓冲以及缓冲池机制;领会设备分配中的数据结构,掌握设备独立性的概念;领会独占设备的分配程序,掌握SPOOLing系统的组成和特点;了解设备驱动程序的功能和特点,领会设备驱动程序的处理过程与中断处理程序的处理过程。第七章设备管理华北电力大学计算机系重点设备控制器的功能和组成;I/O控制方式;设备独立性的概念;SPOOLing系统的组成和特点;中断处理程序的处理过程。难点I/O通道控制方式;设备独立性的实现。第七章设备管理华北电力大学计算机系7.1.1I/O系统的结构7.1.2I/O设备7.1.3设备控制器7.1I/O系统的组成华北电力大学计算机系一、微型机I/O系统微型计算机是以总线为纽带来构成计算机系统,中央处理机(CPU)、存储器、I/O设备(包括外存磁盘、磁带)都挂接在总线。7.1.1I/O系统的结构CPUDMA打印机终端存储器磁盘控制器打印机控制器终端控制器磁盘驱动器华北电力大学计算机系二.主机I/O系统大、中、小型计算机以存储器为中心,CPU和各种通道都与存储器相连。7.1.1I/O系统的结构终端打印机多路通道存储器CPU选择通道华北电力大学计算机系一.I/O设备的类型I/O设备的种类繁多,从OS观点来看,其重要的性能指标有:数据传输速率、数据的传输单位、设备的共享属性等。1.按传输速率分类低速设备指传输速率为每秒钟几个字节到数百个字节的设备。典型的设备有键盘、鼠标、语音的输入等;中速设备指传输速率在每秒钟数千个字节至数十千个字节的设备。典型的设备有行式打印机、激光打印机等;高速设备指传输速率在数百千个字节至数十兆字节的设备。典型的设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。7.1.2I/O设备华北电力大学计算机系2.按信息交换的单位分类块设备(BlockDevice)指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备。这类设备用于存储信息,有磁盘和磁带等。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘,每个盘块的大小为512B~4KB,磁盘设备的基本特征是:①传输速率较高,通常每秒钟为几兆位;②它是可寻址的,即可随机地读/写任意一块;③磁盘设备的I/O采用DMA方式。字符设备(CharacterDevice)指以单个字符为单位来传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输出,有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符设备的基本特征是:①传输速率较低;②不可寻址,即不能指定输入时的源地址或输出时的目标地址;③字符设备的I/O常采用中断驱动方式。7.1.2I/O设备华北电力大学计算机系3.按资源分配的角度分类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,大多数低速的I/O设备,如用户终端、打印机等属于这类设备。因为独占设备属于临界资源,所以多个并发进程必须互斥地进行访问。共享设备指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。显然,共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。典型的共享设备是磁盘。共享设备不仅可以获得良好的设备利用率,而且是实现文件系统和数据库系统的物质基础。虚拟设备指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户(进程)共享的逻辑设备。一般可以利用假脱机技术(SPOOLing技术)实现虚拟设备。7.1.2I/O设备华北电力大学计算机系二.设备与控制器之间的接口1.数据信号输入:设备-控制器输出:控制器-设备2.控制信号读、写或执行等操作信号3.状态信号指示设备的当前状态7.1.2I/O设备缓冲转换器控制逻辑设备控制器数据信号线状态信号线控制信号线信号数据华北电力大学计算机系CPU与I/O设备之间的接口,控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换,复杂性因设备的不同而异,相差很大一.设备控制器的功能1.接收和识别命令2.数据交换3.设备状态的了解和报告4.地址识别5.差错控制二.设备控制器的组成1.设备控制器与处理机的接口2.设备控制器与设备的接口3.I/O逻辑7.1.3设备控制器华北电力大学计算机系7.1.3设备控制器I/O逻辑控制器与设备的接口控制器与设备的接口1控制器与设备的接口iCPU与控制器的接口数据寄存器控制/状态寄存器数据线地址线控制线数据控制状态数据控制状态......华北电力大学计算机系随着计算机技术的发展,I/O的控制方式也在不断地发展。一般可分为:程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式。I/O的控制方式发展的目标是尽量减少主机对I/O控制的干预。7.2.1程序I/O方式7.2.2中断驱动I/O控制方式7.2.3直接存储器访问DMA控制方式7.2.4I/O通道控制方式7.2I/O控制方式华北电力大学计算机系在早期的计算机系统中,由于没有中断机构,处理机对I/O设备直接进行控制,采取程序I/O(ProgrammedI/O)方式或称为忙-等待方式。即在CPU向设备控制器发出一条I/O指令启动I/O设备进行数据传输时,要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1.然后便不断地循环测试busy。当busy=l时,表示该I/O设备尚未输入完一个字(符),CPU应继续对该标志进行测试,直至busy=0,表示该I/O设备已将输入数据送入到I/O控制器的数据寄存器中,于是CPU将从数据寄存器中取出数据,送入内存的指定单元,接着,再启动去读下一个数据,并置busy=l。在程序I/O方式中,由于CPU的速度远远高于I/O设备,导致CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成而循环测试之中,造成了CPU的极大浪费。但是它管理简单,在要求不高的场合可以被采用。7.2.1程序I/O方式华北电力大学计算机系CPU→I/OCPU→I/OCPU做其它事I/O→CPUI/O→CPU未就绪出错出错就绪就绪I/O→CPUI/O→CPUCPU→RAMCPU→RAM未完未完完成完成执行下一条I/O指令执行下一条I/O指令7.2.1程序I/O方式向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态?从I/O控制器中读入字向内存中写入字传送完毕?向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态?从I/O控制器中读入字向内存中写入字传送完毕?(a)程序I/O方式的流程(b)中断驱动方式的流程华北电力大学计算机系在现代计算机系统中,对I/O设备的控制,广泛地采用中断驱动方式。即当某进程要启动某个I/O设备时,便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令,然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器便按照该命令的要求去控制I/O设备。此时,CPU与I/O设备处于并行工作状态。7.2.2中断驱动I/O控制方式华北电力大学计算机系例如,在输入时,当设备控制器收到CPU发来的读命令后,便准备接收从相应输入设备送来的数据。一旦数据进入数据寄存器,控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号,由CPU检查输入过程中是否出错,若无错,便向控制器发取走数据的信号,然后便通过控制器将数据写入指定内存单元。所以,中断驱动方式在I/O设备输入数据的过程中,无需CPU干预,可以使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时,才需CPU花费极短的时间去进行中断处理。从而大大地提高了整个系统的资源利用率及吞吐量,特别是CPU的利用率。7.2.2中断驱动I/O控制方式华北电力大学计算机系一.DMA控制方式的引入中断驱动I/O方式虽然大大提高了主机的利用率,但是它以字(节)为单位进行数据传送,每完成一个字(节)的传送,控制器便要向CPU请求一次中断(做保存现场信息,恢复现场等工作),仍然占用了CPU的许多时间。这种方式对于高速的块设备的I/O控制显然是不适合。为了进一步减少CPU对I/O的干预,引入了直接存储器访问(DirectMemoryAccess)控制方式。7.2.3直接存储器访问DMA控制方式华北电力大学计算机系该方式的特点是:1.数据传输的基本单位是数据块。2.内存与设备之间的直接数据传送,而不用CPU的干预。3.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。可见,DMA方式较之中断驱动方式,又是成百倍地减少了CPU对I/O控制的干预,进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。7.2.3直接存储器访问DMA控制方式华北电力大学计算机系7.2.3直接存储器访问DMA控制方式DMA方式的流程向I/O控制器发布读块命令读DMA控制器的状态CPU-DMADMA-CPU中断CPU做其它事执行下一条指令SystemBusI/OControllerI/OControllerProcessorDMAControllerMemory.....华北电力大学计算机系二.DMA控制器的组成1.DMA控制器与块设备的接口2.I/O控制逻辑3.主机与DMA控制器的接口命令/状态寄存器CR接收从CPU发来的I/O命令或有关的控制信息,或设备的状态内存地址寄存器MAR存放数据从设备传到内存的目的地址,或由内存到设备的内存源地址数据寄存器DR暂存设备到内存或内存到设备的数据数据计数器DC存放本次CPU要读/写的字(节)数7.2.3直接存储器访问DMA控制方式华北电力大学计算机系7.2.3直接存储器访问DMA控制方式CPURAMI/O控制逻辑DRMARDCCRDMA控制器count主机与控制器的接口控制器与块设备的接口命令系统总线数据寄存器DR内存地址寄存器MAR数据计数器DC命令/状态寄存器CR华北电力大学计算机系三.DMA工作过程当CPU要从磁盘读入一数据块时:CPU发出读命令-CR内存起始目标地址-MAR数据的字(节)数-DC数据的磁盘源地址-I/O控制逻辑启动DMA控制器进行数据传送,CPU去处理其它任务DMA控制器读入一个字(节)的数据-DR挪用存储器周期,将该字(节)的数据送到MAR指示的内存单元MAR:=MAR+1;DC:=DC-1IFDC==0THEN中断ELSE传下一字(节)7.2.3直接存储器访问DMA控制方式华北电力大学计算机系DMA方式工作流程7.2.3直接存储器访问DMA控制方式设置CR和DC初值启动DMA传送命令挪用存储器周期传送数据字MAR:=MAR+1DC:=DC-1DC=0?请求中断在继续执行用户程序的同时,准备下一次传送是否华北电力大学计算机系一.I/O通道控制方式的引入虽然DMA方式比中断驱动方式已显著地减少了CPU的干预,即由以字
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