第九章设备管理ppt-PowerPointPresen

第九章设备管理9.1引言一设备的类别：1按照设备的使用特性分为：存储设备、输入输出设备、终端设备以及假脱机设备。2按照设备的从属关系分为：系统设备和用户设备。3按照信息的组织方式分为：字符设备和块设备。二设备管理的功能和任务：任务：1选择和分配输入输出设备以便进行数据传输。2控制输入输出设备和CPU（内存）之间交互数据。3为用户提供友好的接口。4提高设备之间的并行操作。功能：1提供和进程管理系统的接口。当进程要求设备资源时，该接口将进程要求转达给设备管理程序。2进行设备分配。3实现设备之间的并行操作。4进行缓冲区管理。9.2数据传送控制方式1程序直接控制方式：该方式是由用户进程直接控制内存或CPU和外设之间的信息传递。输入数据时，用户进程通过CPU发出启动命令Start，启动外设准备数据，然后，用户进程进入测试等待状态，在等待时间内，CPU不断测试外设的状态。只有当外设做好准备工作后，才将寄存器的状态置成完成状态。当CPU检测到完成信号时，外设开始向内存或CPU传送数据。输出与之类似。优点：实现简单缺点：1CPU和外设只能串行工作。2CPU在一段时间内只能和一台外设交换数据信息，不能实现设备之间的并行工作。3由于程序直接控制方式依靠测试设备标志触发器的状态来控制数据传送，因此无法发现和处理由于设备产生的错误。该方法只适合于CPU执行速度较慢，外设较少的系统中。2中断方式（1）输入数据时，进程通过CPU发出Start指令，启动外设准备数据。同时将控制状态寄存器中的中断允许位打开，以便在需要时调用中断处理程序。（2）进程发出启动设备指令后，放弃处理机，处于等待状态，进程调度程序选中其他进程占用处理机。（3）外设将数据送入缓冲寄存器，当缓冲寄存器满时，I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号。CPU接到中断请求信号后，发生中断，进行中断处理，将寄存器中的数据一次读入。（4）在适当的时间，该进程得到CPU，继续运行。优点：CPU的利用率得到改善，提供并行操作能力。缺点：1通常缓冲寄存器较小，这样在一批数据的传送过程中要发生多次中断，浪费了大量的CPU处理时间。2当外设种类较多时，中断次数较多，可能造成CPU无法响应中断而丢失数据。3当外设处理速度较快时，也可能数据丢失。3DMA方式DMA(directmemoryaccess)又称直接存取方式。在系统中加入DMA控制器，DMA控制器中包括控制状态寄存器，数据缓冲寄存器，传送字节计数器和内存地址寄存器。（1）输入数据时，CPU把准备存放输入数据的内存地址以及要传送的字节数分别送入DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器，同时把控制状态寄存器中的中断允许位和启动位置1；（2）发出数据要求的进程放弃CPU，进入等待状态，进程调度程序调度其他进程占用CPU。（3）在DMA控制器的控制下，输入设备将数据缓冲寄存器中的数据直接送入内存，直至传送结束。（4）DMA控制器通过中断请求线发出中断信号，CPU在接到中断请求信号后，进行中断处理。（5）中断结束后，CUP返回被中断的进程，或发生进程调度。优点：中断次数减少了，不会出现中断方式中的数据丢失现象。缺点：对外设管理和操作很多仍然需要CPU的干涉。当外设种类较多，需要引入多个DMA控制器，增加系统开销，另外管理也非常复杂。4通道方式（channelcontrol）通道：通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换，它有自己的通道指令，这些通道指令CPU受启动，并在操作结束时向CPU发出中断信号。（1）当进程要求输入设备时，CPU发Start指令指明I/O操作、设备号和对应通道。（2）对应通道收到Start命令后，从内存中读出通道指令程序。设置对应的状态控制寄存器。（3）设备根据通道指令的要求，把数据送入内存指定区域。（4）数据传送结束后，I/O控制器通过中断请求线路向CPU发出请求，请求中断处理。优点：在通道方式下，数据的传送方向、存放数据的内存地址、以及传送数据的字节数都由通道来控制，在DMA方式下这些都由CPU控制，减轻了CPU的负担，另外，一个通道可以控制多台外设和内存交互数据。9.3中断(Interrupt)技术一中断的基本概念1中断：中断是指在计算机执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。2中断源：引起中断发生的事件被称为中断源。3中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求。4中断响应：CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序称为中断响应。5禁止中断：在某些情况下，尽管产生了中断源，发出了中断请求，但CPU内部的处理机状态字PSW的中断允许位已经被清除，从而不允许CPU响应中断。这种情况称为禁止中断，也叫关中断。6开中断：PSW的中断允许位的设置称为开中断。被重新设置后，CPU可以接收中断。7中断屏蔽：在中断请求产生后，系统用软件方法有选择的封锁部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应。二中断的分类根据中断源产生的条件，可以把中断分为：内中断：主要指在CPU和内存内部产生的中断，一般称为陷阱。包括程序运算引起的各种错误，如：地址非法、算术操作溢出、数据格式非法等。外中断：来自CPU和内存外部的中断，包括I/O中断，外部信号中断等。三中断过程（1）CPU检查响应中断的条件是否满足。条件是：有来自中断源的中断请求，CPU允许中断。（2）如果CPU响应中断，则CPU关中断。（3）保存现场。（4）分析中断原因，调用中断处理子程序。（5）执行中断子程序。（6）退出中断。（7）开中断，CPU继续执行。9.4缓冲技术（buffering）一缓冲技术的引入缓冲技术：缓冲技术是用来在两种不同速度设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。在操作系统中引入缓冲技术的主要原因：1.是为了缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾。2.引入缓冲技术可以减少CPU的中断次数。二缓冲的种类根据设置缓冲器的个数，可把缓冲技术分为单缓冲、双缓冲、多缓冲。单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲器。设备和处理机通过缓冲器交换数据。但单缓冲器属于临界资源，不能并行操作。双缓冲：在处理机和外设之间设置两个缓冲器，一个用于输入，一个用于输出。但实际上计算机系统中设备种类繁多，两个缓冲器不足解决问题。多缓冲：把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分用于输入，一部分用于输出。缓冲池：把多个缓冲区连接起来统一管理，既可以用于输入又可以用于输出。三缓冲池的管理1、缓冲池的结构缓冲池由两部分构成：缓冲首部：用来标识该缓冲器和用于管理缓冲体：存放数据2、用于缓冲区管理的3个队列：空白缓冲队列em装满输入数据的输入缓冲队列in装满输出数据的输出缓冲队列out3、4种工作缓冲区用于收容设备输入数据的收容输入缓冲区hin用于提取设备输入数据的提取输入缓冲区sin用于收容CPU输出数据的收容输出缓冲区hout用于提取CPU输出数据的提取输出缓冲区sout4、对缓冲池管理的4个操作take_buf(type)：从三种缓冲区队列中取出一个缓冲区add_buf(type,number)：把缓冲区插入相应的队列get_buf(type,number)：供进程申请使用缓冲区put_buf(type,work_buf)：供进程将缓冲区放入相应队列type:缓冲队列的类型，em,in,outnumber:缓冲区号work_buf:工作缓冲区的类型hin,hout,sin,sout5、缓冲池的工作过程输入数据：输入进程调用get_buf(em,number)从空白缓冲队列em中取出一个缓冲号为number的空白缓冲区（具体取的动作由take_buf(em)完成），将其作为hin，当其装满输入数据后，调用put_buf(in,hin)将其插入输入缓冲队列in,具体插入由add_buf(in,number)完成。真正输入时调用get_buf(in,number)从输入缓冲队列in中取出一个装满输入数据的缓冲区,缓冲号为number，将其作为sin，当CPU将里面的数据取走后，调用put_buf(em,sin)将其插入空白缓冲队列。输出数据：首先调用get_buf(em,number)从空白缓冲队列取出一个空白的缓冲号为number的缓冲区作为hout，将其装满输出数据，然后调用put_buf(out,hout),将其插入输出缓冲队列out,当真正输出时调用get_buf(out,number)从输出缓冲队列中取出一个缓冲号为number的缓冲区，作为sout,当里面的数据被取走输出后，调用put_buf(em,sout)将其插入空白的缓冲队列em。9.5设备分配1、设备分配的数据结构（1）设备控制表(DCTdevicecontroltable)：反映设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况。包括设备标识、使用状态和等待使用该设备的进程队列等。系统中每个设备都有一张DCT。内容如下：设备标识符：区别设备设备类型：反映设备的特性设备地址或设备号：每个设备都有自己的设备地址或设备号设备状态：工作还是空闲等待队列指针：等待使用该设备的进程组成等待队列，其队首和队尾指针放在DCT中I/O控制器指针：指向该设备相连接的I/O控制器。（2）系统设备表(SDTsystemdevicetable):整个系统一张，记录连接到系统中的所有设备的情况(3)控制器表(COCTcontrolercontroltable):每个控制器一张，反映I/O控制器的使用状态以及和通道连接的情况(4)通道控制表(CHCTchannelcontroltable):该表只在通道控制方式的系统中存在，每个通道一张，管理通道。2设备分配原则：设备分配原则是根据设备特性、用户要求、系统配置情况决定的。总原则是既要充分发挥设备的使用特性，尽可能地让设备繁忙，但又要避免由不合理的分配方法造成的进程死锁；另外还要做到把用户的程序和具体物理设备隔离开来，即用户程序面对的是逻辑设备，而分配程序将在系统把逻辑设备转成物理设备之后，再根据要求的物理设备号进行分配的。3、分配方法和策略分配方法分为静态分配和动态分配。常用的分配策略有先请求先分配和优先级高者先分配等策略。Homework1概念：中断，通道，DMA2.根据信息的交换单位，设备可以分为（）和（）。.3.缓冲技术有哪里类型，分别是什么常用的缓冲技术有三种类型：单缓冲，双缓冲，多缓冲.单缓冲：让输入和输出设备共用一个缓冲区的缓冲技术。输入设备和输出设备串行方式工作。双缓冲：设置两个缓冲区，输入设备和输出设备可以分别对两个缓冲区并行方式工作。多缓冲：把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出。4.中断和DMA方式的区别：DMA方式和中断方式的主要不同是：中断方式在每个数据传送完成后中断CPU，而DMA方式则是在所要求传送的一批数据全部结束时中断CPU；中断方式的数据传送是在中断处理时由CPU控制完成的，而DMA方式则是在DMA控制器的控制下完成的。5.什么是缓冲技术，为什么要引入缓冲技术?缓冲技术是用来在两种不同速度设备之间传输信息时平滑传输过程的常用手段。引入缓冲技术的原因有：1、缓和CPU和I/O设备之间速度不匹配的矛盾。2、减少中断次数6.系统通过一定的数据结构来管理设备，下面的哪个数据结构不能用来管理设备AFCBBDCTCSDTDCOCT7.在操作系统中用户通过()使用设备A物理设备名B逻辑设备名C虚拟设备名D设备号8.通道是I/O处理器，用于在（）和（）之间传送数据A内存,I/OBCUP,I/OCI/O,I/ODCPU,外存9通道用于()A传送数据B计算数据C存储数据D处理数据10.描述缓冲池输入数据的过程.输入数据：输入进程调用