第五章设备管理

机械工业出版社操作系统教程课件第1页第五章设备管理•5.1设备管理概述•5.2I/O系统•5.3缓冲技术•5.4独占设备的分配•5.5磁盘管理•5.6设备处理•5.7虚拟设备•5.8本章小结机械工业出版社5.1设备管理概述现代计算机系统中配置了大量不同类型的外围设备，包括用于实现信息输入、输出和存储功能的设备以及相应的设备控制器，在有的大中型计算机中还设有输入/输出通道。在计算机系统中，通常把外围设备又称为I/O设备，这些设备的物理特性和操作方式有很大区别，在运行速度、控制方式、数据表示以及传送单位上存在着很大的差异。因此，计算机系统对外围设备的管理，是操作系统中最具有多样性和复杂性的部分。操作系统教程课件第2页机械工业出版社5.1设备管理概述1、外围设备的分类早期的计算机系统由于速度慢、应用面窄，外围设备主要以纸带、卡片等作为输入输出介质，相应的设备管理程序也比较简单，进入20世纪80年代以后，由于个人计算机、工作站以及计算机网络等的发展，外围设备开始走向多样化、复杂化和智能化。用户可以从不同的角度对外围设备进行分类。按照外围设备的从属关系，可以将它们分成系统设备和用户设备。按照工作特性可将外围设备分为存储设备和I/O设备两类。操作系统教程课件第3页机械工业出版社5.1设备管理概述2、设备管理的功能现代计算机系统要方便用户使用，为用户提供使用外围设备的统一界面、尽可能地提高输入/输出设备的使用效率，发挥系统的并行性。因此，设备管理的主要功能如下：①实现对外围设备的分配与去配。②实现外围设备的启动。⑤实现虚拟设备。操作系统教程课件第4页机械工业出版社5.2I/O系统通常把I/O设备及其接口线路、控制部件、通道以及管理软件统称为I/O系统。主存与外围设备之间的信息传输操作，称为I/O操作。多道程序设计技术引入后，I/O操作能力成为计算机系统综合处理能力及性能价格比的重要因素。操作系统教程课件第5页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构典型的输入/输出系统具有四级结构：主机、通道、设备控制器和输入/输出设备，如图5-1所示。操作系统教程课件第6页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构1.I/O设备I/O设备的种类繁多，其重要性能指标有：数据传输单位、数据传输速率和设备的共享属性等。用户从不同角度可以对I/O(1)按传输速率的高低，可以把I/O设备分为三类：第一类是低速设备，其传输速率仅为每秒钟几个字节到数百个字节，如键盘、鼠标等设备；第二类是中速设备，其传输速率在每秒钟数千个字节到数万个字节，如行式打印机、激光打印机等；第三类是高速设备，其传输速率在每秒钟数十万个字操作系统教程课件第7页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构(2)按设备与主存之间信息交换的物理单位可以将I/O设备分为两类。第一类是块设备，以块为单位与主存交换信息，属于有结构设备，如磁盘(每个盘块的大小为0.54KB)、磁带等。块设备的基本特征是传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；可寻址，即允许对指定的块进行读/写操作；此外，在I/O操作时，常采用直接存储器访问(DMA)方式。第二类是字符设备，以字符为单位与主存交换信息，属于无结构设备。字符设备种类繁多，如交互式终端、打印机等。字符设备的基本特征是传输速率较低，通常每秒钟为几个字节到数千个字节；不可寻址，即不能指定输入时的源地址以及输出时的目标地址；在I/O操作时，常采用中断驱动方式。操作系统教程课件第8页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构(3)按设备的共享属性可将设备分为三类。第一类是独占型设备，在一段时间内只能被一个作业独占使用，例如，输入机、磁带机和打印机等。独占型设备通常采用静态分配方式，即在一个作业执行前，将作业需要使用的这类设备分配给作业，在作业执行期间独占该设备，直到作业结束才释放。第二类是共享型设备，在一段时间内允许几个作业同时使用，例如，磁盘，对共享型设备允许多个作业同时使用，即一段时间内多个作业可以交替地启动共享设备，但在每一时刻仍只有一个作业占用。第三类是虚拟设备，通过虚拟技术用共享型设备来模拟独占型设备的工作。操作系统教程课件第9页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构2.设备控制器（1）接口线路通常，外围设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。在设备与设备控制器之间有一个接口，通过数据线、控制线和状态线传输数据、控制和状态三种类型信号，如图5-2所示。操作系统教程课件第10页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构（1）数据信号线数据信号线用于设备和设备控制器之间数据信号的传送。（2）控制信号线控制信号线作为设备控制器与I/O设备之间控制信号的传送通道。（3）状态信号线状态信号线用于传送指示设备当前状态的信号。设备的当前状态有正在读、正在写、设备已完成等。操作系统教程课件第11页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构设备控制器位于CPU与设备之间，控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和主机之间的数据交换。设备控制器既要与CPU通信，又要与设备通信，由它接受从CPU发出的命令，并控制I/O设备的工作，是CPU与I/O设备之间的接口，能有效地将CPU从设备控制事务中解脱出来。设备控制器分为两类：控制字符设备的控制器和控制块设备的控制器。设备控制器是一个可编址设备，它含有多少个设备地址，就可以连接多少个同类型设备，并且为它所控制的每一个设备分配了一个地址。微型计算机和小型计算机中的控制器，往往做成印制电路卡形式，常被称为接口卡，插入计算机，可控制一个、两个、四个或八个同类型设备。操作系统教程课件第12页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构(2)①接受和识别命令。设备控制器接受并识别CPU向控制器发出的多种不同命令。为此，在设备控制器中应具有相应的控制寄存器，用来存放接受的命令和参数，并对所接受的②数据交换。设备控制器实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换。CPU与控制器之间的数据交换是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器中，或从控制器中并行地读出数据。控制器与设备之间的数据交换，则是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送到设备。为此，在控制寄存器中必须设置数据寄存器。操作系统教程课件第13页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构③表示和报告设备的状态。设备控制器应记录外围设备的工作状态。例如，仅当设备处于发送就绪状态时，CPU才能启动设备控制器从设备中读出数据。为此，在设备控制器中应设置一个状态寄存器，其中的每一位表示设备的某一种状态，CPU通过读入状态寄存器的值，可掌握该设备的当前状态，做出正确判断，发出操作指令。④地址识别。为了识别不同的设备，系统中的每个设备都有一个惟一的地址，而设备控制器必须能够识别它所控制的每个设备的地址。例如，在IBMPC机中规定，硬盘控制器中寄存器的地址在320~32F之中。为使CPU能向(或从)寄存器中正确写入(或读出)数据，必须做到正确识别。为此，在设备控制器中应配置地址译码器。操作系统教程课件第14页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构⑤数据缓冲。为了解决高速的CPU与慢速的I/O设备之⑥差错控制。设备控制器还负责对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。如果发现在传送中出现错误，则通常将差错检测码置位，并向CPU报告，为保证数据的正确性，CPU操作系统教程课件第15页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构(3)设备控制器一般由设备控制器与CPU接口、设备控制器与设备接口以及I/O逻辑三部分组成，如图5-3所示。操作系统教程课件第16页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构①设备控制器与CPU的接口。该接口通过数据线、地址线和控制线实现CPU与设备控制器之间的通信。数据线通常与数据寄②设备控制器与设备的接口。一个设备控制器可以有一个或多个设备接口，一个接口连接一台设备，在每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。设备控制器中的I/O逻辑根据CPU③I/O逻辑。设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。通过一组控制线与CPU交互，CPU利用该逻辑向控制器发出I/O命令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。当CPU要启动一个设备时，一方面将启动命令发送给控制器；同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行控制。操作系统教程课件第17页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构3.通道为了获得CPU与外围设备之间更高的并行工作能力，也为了让种类繁多、物理特性各异的外围设备能以标准的接口连接到系统中，计算机系统在CPU与设备控制器之间增设了自成独立体系的通道结构，这不仅使数据的传送独立于CPU，而且对I/O操作的组织、管理及其处理也尽量独立，使CPU有更多的时间进行数据处理。通道又称输入/输出处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道程序来控制I/O操作，完成主存储器和外围设备之间的信息传送。采用通道技术主要解决了输入/输出操作的独立性和各部件工作的并行性，实现了外围设备与CPU之间的并行操作，通道与通道之间的并行操作，各个通道上的外围设备之间的并行操作，提高了整个系统效率。具有通道装置的计算机系统，主机、通道、设备控制器和设备之间采用四级连接，实施三级控制。通常，一个中央处理器可以连接若干通道，一个通道可以连接若干个控制器，一个控制器可以连接若干台设备。操作系统教程课件第18页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构根据信息交换方式的不同，通道可分为三种类型：字节多路通道、数组选择通道和数组多路通道。（1）字节多路通道（ByteMultiplexorChannel）字节多路通道是一种按字节为单位以交叉方式工作的通道。它通常含有许多非分配型子通道，其数量可达数百个，每一个子通道连接一台I/O设备，并控制该设备的输入/输出操作，这些子通道按时间片轮转方式共享主通道，如图4-4所示。字节多路通道主要用于连接大量的低速外围设备，如软盘输入输出机、纸带输入输出机、卡片输入输入机、控制台打印机等设备。操作系统教程课件第19页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构操作系统教程课件第20页图5-4字节多路通道的工作原理机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构（2）数组选择通道（BlockSelectorChannel）数组选择通道以块为单位成批传送数据。它只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用该通道后，便一直独占使用，即使无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直至设备释放该通道。可见，数组选择通道可以连接多台高速设备，每次传送一批数据，传送速度高，但通道的利用率很低，如磁带机、磁盘机等设备。操作系统教程课件第21页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构（3）数组多路通道（BlockMultiplexorChannel）数组多路通道是将数组选择通道传输速率高与字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，以分时方式同时执行几道通道程序，因而数组多路通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。数组多路通道的实质是对通道程序采用多道程序设计技术的硬件实现。操作系统教程课件第22页机械工业出版社5.2.1输入/输出系统结构由于通道的成本高，在系统中通道数量有限，这往往成为I/O的瓶颈，造成整个系统的吞吐量降低。如图5-5所示单通路I/O系统，为了驱动设备1，必须连通控制器1和通道1，若通道1已被其他设备（如设备2，设备3或设备4）所占用或存在故障，则设备1无法启动，这就是由于通道不足而造成输入/输出操作中的“瓶颈”现象。解决“瓶颈”问题的最有效办法，便是增加设备到主机之间的通路而不增加通道，如图5-6所示，即把一个设备连接到多个控制器上，而一个控制器又连接到多个通道上，实现多路交叉连接，即使个别通道或控制器出现故障时，也不会使设备和存储器之间