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当前位置:首页 > 商业/管理/HR > 管理学资料 > 第五章 计算机操作系统设备管理
2020/1/171学院:计算机与信息技术学院教师:刘贤梅2020/1/172内容概述5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3缓冲管理I/O系统包括用于实现数据输入、输出、存储功能的设备和相应的控制器,设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求,提高I/O速率以及改善I/O的利用率。设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、磁盘管理、虚拟设备及实现设备独立性。5.4I/O软件5.5设备分配5.6磁盘存储器管理2020/1/1735.1I/O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2020/1/1745.1.1I/O设备1.按设备的使用特性分类存储设备磁带、磁盘、光盘等。输入/输出设备键盘、鼠标、扫描仪、视频摄像、传感器等。2020/1/1752.按传输速率分类低速设备每秒几个字节至数百字节。键盘、鼠标、语音输入输出设备等。中速设备每秒数千至数万字节。行式打印机、激光打印机等。高速设备每秒数百K至数十M字节。磁盘机、磁带机、光盘机等。2020/1/1763.按信息交换的单位分类块设备信息的存取以数据块为单位,有结构设备。基本特征是其传输速率较高,通常每秒钟为几兆位,可寻址,即对它可随机地读/写任一块。例:磁盘字符设备基本单位是字符,无结构设备。基本特征是其传输速率较低,通常每秒钟为几个字节到数千字节,不可寻址。例:交互式终端、打印机2020/1/1774.按设备的共享属性分类独占设备(临界资源)如打印机共享设备可供多个多个进程同时访问,如磁盘。共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。虚拟设备通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备,供若干个进程同时使用。2020/1/1785.1I/O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2020/1/1795.1.2设备控制器1.设备控制器概述设备控制器是CPU与I/O设备之间的硬件接口,常做成印刷电路卡形式,也称接口卡。接收从CPU发来的命令,并控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换,减轻CPU的负担。2020/1/17102.设备控制器的组成设备控制器与处理机的接口该接口用于实现设备控制器与CPU之间的通信。在该接口中有三类信号线:数据线、地址线、控制线。设备控制器与设备的接口在一个设备控制器上,可以连接一台或多台设备(一个或多个设备接口),一个接口连接一台设备,在每个接口中都有数据、控制和状态三种类型的信号。I/O逻辑控制器对设备的控制通过I/O逻辑实现的。包括对收到命令和地址进行译码。2020/1/1711图5-2设备控制器的组成数据寄存器控制/状态寄存器数据线I/O逻辑…控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制…地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口2020/1/17125.1I/O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2020/1/17135.1.3I/O通道1.I/O通道设备的引入是一种特殊处理机,专门负责输入/输出工作,具有执行I/O指令的能力。主要目的是为了建立独立的I/O操作,使有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理也独立于CPU。CPU向I/O通道发送I/O命令,由通道执行程序。通道与一般处理机的区别指令类型单一,局限于与I/O操作有关命令。没有独立的内存,通道与CPU共享内存。2020/1/1714图5-3字节多路通道的工作原理2.通道类型(1)字节多路通道一个主通道连接多个子通道,以时间片轮转方式共享主通道。每个子通道每次只传送一个字节,连接中低速设备。控制器A控制器B控制器C控制器D控制器N…A1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备2020/1/1715(2)数组选择通道(BlockSelectorChannel)(1)不适合高速设备。以数组方式工作,高速传输数据。可以连接多台高速设备。每次只有一台设备进行数据传送,形成独占,如果它不传数据,别的设备也传不了。通道利用率较低。2020/1/1716(3)数组多路通道(BlockMultiplexorChannel)(2)有独占性。将数组选择通道传输速率高和字节多路通道分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。其数据传送是按数组方式。采用分时并行传送多个非分配型子通道,因而这种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。2020/1/1717图5-5多通路I/O系统I/O设备1控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备2I/O设备3I/O设备42020/1/17185.1I/O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2020/1/17195.1.4总线系统图5-6总线型I/O系统结构在计算机系统中的各部件,如CPU、存储器以及各种I/O设备之间都是通过总线来联系。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2020/1/17201.ISA(IndustryStandardArchitecture)总线这是为了1984年推出的80286型微机而设计的总线结构。其总线的带宽为8位,最高传输速率为2Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)总线,其最高传输速率为8Mb/s,后又升至16Mb/s,能连接12台设备。2.EISA(ExtendedISA)到80年代末期,ISA总线已难于满足带宽和传输速率的要求,于是人们又开发出扩展ISA(EISA)总线,其带宽为32位,总线的传输速率高达32Mb/s,同样可以连接12台外部设备。2020/1/17213.VESA(VideoElectronicStandardAssociation)总线以ISA为基础的局部总线,带宽为32位,工作频率为33MHz,最高传输速率为132Mb/s,为486设计的。4.PCI(PeripheralComponentInterface)总线局部总线,最大传输速率为132Mb/s,既可以连接ISA、EISA等传统型总线,又可支持Pentium的64位系统。2020/1/1722内容概述5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3缓冲管理5.4I/O软件5.5设备分配5.6磁盘存储器管理2020/1/17235.2I/O控制方式5.2.1程序I/O方式5.2.2中断驱动I/O方式5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2.4I/O通道控制方式设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU之间的数据传送。I/O控制方式主要有四种:程序I/O方式、中断驱动I/O方式、直接存储访问DMAI/O控制方式和I/O通道控制方式。2020/1/17245.2.1程序I/O方式程序I/O控制方式(“忙—等待”方式):在一个设备的操作没有完成时,控制程序一直检测设备的状态,直到该操作完成,才能进行下一个操作。CPU通过I/O测试指令测试设备接口中的状态位,当为“忙”时则一直测试,当为“闲”时,可进行数据传送,每次传送一个字符。CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中。外设不能合理使用,也无法支持多道程序。CPU的高速性和I/O设备的低速性。2020/1/1725图5-7程序I/O方式的流程向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控制器中读入字符向存储器中写字符传送完成?未就绪就绪出错CPU-I/OI/O-CPUI/O-CPUCPU-内存下条指令完成未完(a)程序I/O方式2020/1/17265.2I/O控制方式5.2.1程序I/O方式5.2.2中断驱动I/O方式5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2.4I/O通道控制方式2020/1/17275.2.2中断驱动I/O控制方式中断是指计算机在执行期间,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。中断驱动方式:当某进程要启动某个I/O设备工作时,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。设备控制器按命令要求去控制指定的I/O设备,完成后,通过中断向CPU发送一中断信号。在I/O设备输入数据的过程中,无须CPU干预。每次传送一个字符。2020/1/1728在I/O中断方式下,数据的输入(或输出)步骤如下:1、要求输入数据的进程把一个启动命令和允许中断位“1”写入相应设备的控制状态寄存器中,从而启动了该设备。2、该进程因等待输入的完成进入睡眠状态。3、当输入完成后,输入设备向CPU发出完成中断请求信号。4、处理机响应中断,处理该中断,并唤醒等待输入完成的进程。5、在以后的某个时期,该程序被调度到后,继续运行。2020/1/1729图5-7中断驱动方式的流程向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控制器中读字符向内存中写字符传送完成?就绪出错CPU-I/OI/O-CPUI/O-CPUCPU-内存下条指令完成未完中断CPU做其它事(b)中断驱动方式2020/1/17305.2I/O控制方式5.2.1程序I/O方式5.2.2中断驱动I/O方式5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2.4I/O通道控制方式2020/1/17315.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入中断驱动I/O控制方式:以字节为单位的。每完成一个字节的I/O,控制器便向CPU发一中断,请求CPU中断处理。例如,为了从磁盘中读出1KB的数据块,需要中断1K次CPU。直接存储器存取控制:是指对I/O设备的控制由DMA控制器完成,在DMA控制器的作用下,设备和主存之间可以成批地进行数据交换,而不用CPU的干涉。2020/1/1732图5-7DMA方式的流程向I/O控制器发布读块命令CPU-DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA-CPU下条指令(c)DMA方式2020/1/1733图5-8DMA控制器的组成2.DMA控制器的组成主机与DMA控制器的接口DMA控制器与块设备的接口I/O控制逻辑DRMARDCCRI/O控制逻辑...主机—控制器接口控制器与块设备接口count内存CPU命令系统总线DMA控制器2020/1/1734为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换,必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器:(1)命令/状态寄存器CR。用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息,或设备的状态。(2)内存地址寄存器MAR。在输入时,它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址;在输出时,它存放由内存到设备的内存源地址。(3)数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存,或从内存到设备的数据。(4)数据计数器DC。存放本次CPU要读或写的字(节)数。2020/1/17353.DMA工作过程图5-9DMA方式的工作流程设置内存地址寄存器MAR和数据计数器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2020/1/17364.直接存储器存取控制方式的步骤①当进程要求设备输入一批数据时,CPU将设备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控制器中的地址寄存器和传送字节计数器;另外,还要将中断位和启动位置为1,以启动设备开始进行数据输入并允许中断。②发出数据要求的进程进入等待状态,进程调度程序调度其他进程占据CPU。③输入设备不断地挪用CPU工作周期,将数据寄存器中的数据源源不断地写入内存,直到所要求的字节全部传送完毕。④DMA控
本文标题:第五章 计算机操作系统设备管理
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