操作系统设备管理.

12019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿主讲教师：杨武杰联系电话：[phone]电子邮件：[e-mail]《操作系统》22019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿第五章设备管理5.1I/O系统组成5.2I/O控制方式5.3设备管理目标、功能及结构5.4缓冲管理5.5设备分配5.6设备处理5.7磁盘存储器管理32019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.1I/O系统组成5.1.1I/O系统结构5.1.2I/O设备分类及接口5.1.3设备控制器5.1.4I/O通道42019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿微机总线型I/O系统结构CPU存储器磁盘控制器打印机控制器…其它控制器其它设备打印机磁盘驱动器系统总线ISA总线和EISA总线局部总线VESA总线PCI总线52019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿主机通道型I/O系统结构I/O通道1主机设备控制器设备设备控制器设备I/O通道2设备控制器设备设备控制器设备62019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.1I/O系统组成5.1.1I/O系统结构5.1.2I/O设备分类及接口5.1.3设备控制器5.1.4I/O通道72019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿I/O设备分类按数据传输速率分类高速设备、中速设备、低速设备按信息交换单位分类块设备（传输速率高、可寻址、DMA）字符设备（传输速率低、不可寻址、中断）按设备共享属性分类独占设备共享设备虚拟设备82019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备与设备控制器之间的接口控制逻辑缓冲器数据信号线信号数据转换器控制信号线状态信号线I/O设备设备控制器92019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.1I/O系统组成5.1.1I/O系统结构5.1.2I/O设备分类及接口5.1.3设备控制器5.1.4I/O通道102019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备控制器的功能接收和识别命令控制寄存器/命令译码器数据交换（数据寄存器）标识和报告设备状态（状态寄存器）地址识别（地址译码器）数据缓冲（缓冲器）差错控制（差错检查码）112019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备控制器的组成I/O逻辑数据寄存器…设备控制器与设备接口1数据线数据信号控制/状态寄存器…状态信号控制信号设备控制器与设备接口n数据信号状态信号控制信号控制线地址线CPU与设备控制器接口设备控制器与设备接口122019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.1I/O系统组成5.1.1I/O系统结构5.1.2I/O设备分类及接口5.1.3设备控制器5.1.4I/O通道132019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿I/O通道及引入通道引入的主要目的在于提高I/O过程的独立性，不仅使数据的传送能独立于CPU，而且使有关I/O操作的组织、管理与结束尽量独立，从而保证CPU有更多的时间进行数据处理设置通道后，CPU只需向通道发出一条I/O指令；通道收到该指令后，便从内存取出本次要执行的通道程序并予执行；仅当其完成规定的I/O任务后，才向CPU发出中断信号通道为特殊的处理机，其指令类型单一、无专有内存（与CPU共享内存），通过执行通道I/O程序来控制I/O操作142019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿通道指令与通道程序通道指令读指令：外设===内存写指令：内存===外设控制指令：具体功能与所控设备有关，如磁带机反绕、磁盘机寻道、打印机换页等通道程序通道指令的逻辑集合，由设备驱动程序自动生成，存放于内存特定区域152019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿通道程序的执行流程设备驱动模块根据请求参数组织和生成通道程序通道程序起始地址送通道地址寄存器CAW启动通道设备驱动进程自我阻塞，CPU重新调度和执行其它进程用户进程提出I/O请求，唤醒设备驱动进程后自我阻塞执行通道命令寄存器CCW中的通道指令和完成I/O操作发出I/O完成的中断请求根据通道地址寄存器CAW当前值从内存提取一条通道指令送通道命令寄存器CCW，同时使通道地址寄存器CAW递增以使其指向下一条通道指令最后一条通道指令?I/O中断处理模块唤醒设备驱动进程是否CPU通道162019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿通道类型字节多路通道含有许多非分配型子通道分别连接在低、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按字节方式进行数据传送数组选择通道只含有一个分配型子通道，一段时间内只能执行一道通道程序、控制一台设备按数组方式进行数据传送，通道独占且利用率低，用于连接多台高速设备数组多路通道含有多个非分配型子通道分别连接在高、中速I/O设备上，子通道按时间片轮转方式共享主通道，按数组方式进行数据传送172019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿通道瓶颈问题及解决方案I/O通道1主机设备控制器1设备1设备2I/O通道2设备3设备4设备5设备6设备7设备8设备控制器2设备控制器3设备控制器4I/O通道1主机设备1设备2I/O通道2设备3设备4设备控制器1设备控制器2182019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.1I/O系统组成5.1.1I/O系统结构5.1.2I/O设备分类及接口5.1.3设备控制器5.1.4I/O通道192019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿第五章设备管理5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3设备管理目标、功能及结构5.4缓冲管理5.5设备分配5.6设备处理5.7磁盘存储器管理202019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.2I/O控制方式程序I/O控制方式简单的忙-等待方式中断驱动I/O控制方式中断机制的引入直接存储器访问控制方式DMA控制器、数据传输单位扩大I/O通道控制方式通道、I/O操作组织和数据传送的独立212019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿程序I/O控制方式向设备控制器发出一条I/O指令启动输入设备输入数据，并初始化其状态寄存器值读取设备控制器状态寄存器值状态？出错处理出错未就绪就绪从设备控制器数据寄存器读入字将字传送和写入内存指定单元传送完成？下条指令完成未完成CPU→设备控制器设备控制器→CPU设备控制器→CPUCPU→内存222019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿中断驱动I/O控制方式向设备控制器发出一条I/O指令启动输入设备输入数据，并初始化其状态寄存器值读取设备控制器状态寄存器值状态？出错处理出错就绪从设备控制器数据寄存器读入字将字传送和写入内存指定单元传送完成？下条指令完成未完成CPU→设备控制器设备控制器→CPU设备控制器→CPUCPU→内存CPU作其它事中断232019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿直接存储器访问控制方式数据传输单位数据块数据传输途径设备内存CPU干预限于数据块传送开始与结束向DMA控制器发出一条I/O指令启动输入设备输入数据，并初始化其状态寄存器值读取DMA控制器状态寄存器值下条指令CPU→DMA控制器DMA控制器→CPUCPU作其它事中断242019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿DMA控制器组成I/O控制逻辑数据寄存器DR…设备控制器与设备接口1数据信号命令/状态寄存器CR…状态信号控制信号设备控制器与设备接口n数据信号状态信号控制信号主机与设备控制器接口设备控制器与块设备接口数据计数器DC内存地址寄存器MAR包括CPU和内存系统总线包括数据线、地址线和控制线252019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿基于DMA磁盘读入数据流程设置DMA控制器之内存地址寄存器MAR和数据计数器DC初始值启动DMA数据传送指令从磁盘读入一个数据字到数据寄存器DR，挪用存储器周期传送数据字内存地址寄存器MAR值递增数据计数器DC值递减DC=0？请求中断是否CPUDMA控制器262019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿I/O通道控制方式操作码通道程序结束标志记录结束标志数据读写字节计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720通道程序同一记录操作272019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿作业题5.1试从操作系统设备管理的角度谈谈你对计算机输入输出系统的组成结构及组成要素的认识与理解。5.2比较和阐述各种I/O控制方式的技术实现要领。282019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿第五章设备管理5.1I/O系统组成5.2I/O控制方式5.3设备管理目标、功能及结构5.4缓冲管理5.5设备分配5.6设备处理5.7磁盘存储器管理292019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备管理及目标设备管理程序用于控制与管理实现信息输入、输出和存储的设备。由于I/O设备不仅种类繁多，而且彼此特性和操作方式相差较大，从而使设备管理成为操作系统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。主要目标方便用户使用，实现对不同类型设备的统一管理、使用并协调各台外围设备的并发运作提高系统I/O效率，缓解CPU和多种不同处理速度的外围设备之间的矛盾设备管理的可扩充性，包括设备的增加和删除以及对新的设备类型的适应性302019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备管理的功能提供设备使用的用户接口命令接口和编程接口设备分配和释放分配设备及相应的通道、设备控制器。设备的访问和控制并发访问及差错处理。I/O缓冲和调度提高I/O访问效率，缓解CPU与外设矛盾312019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备管理结构用户空间I/O请求层提供对逻辑设备的控制。具体来说，针对用户接口，提供抽象的命令，如Open,Close,Read,Write；针对通信设备，提供通信体系结构如网络协议栈；针对文件存储设备，提供文件系统的逻辑结构控制。设备独立性软件层逻辑设备与物理设备间过渡协调机构，实现用户命令到设备操作序列的转换，提供缓冲机制设备调度和控制层实现硬件物理设备的设备驱动、设备控制、状态维护、中断处理及并发I/O访问调度322019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿设备管理层次结构用户进程用户空间I/O请求层硬件设备独立性软件层设备调度与控制层332019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿作业题5.3谈谈你对操作系统设备管理的目标、功能及层次结构设计的认识与理解。342019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿第五章设备管理5.1I/O系统组成5.2I/O控制方式5.3设备管理目标、功能及结构5.4缓冲管理5.5设备分配5.6设备处理5.7磁盘存储器管理352019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿5.4缓冲管理5.4.1缓冲技术的引入5.4.2单缓冲5.4.3双缓冲5.4.4循环缓冲5.4.5缓冲池362019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿缓冲技术的引入操作系统引入缓冲机制的原因缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制提高CPU与I/O设备之间的并行性缓冲管理的主要功能缓冲区的组织缓冲区的获得与释放372019年12月30日星期一北京交通大学计算机学院翟高寿利用缓冲降低中断频率举例说明(a)9.6Kb/s1位缓冲送内存(b)9.6Kb/s8位缓冲寄存器送内存(c)9.6Kb/s8位缓冲寄存器送内存远程通信系统382019年12月30日星期一北