计算机操作系统(汤小丹第三版)第5章 设备管理

第五章设备管理1第五章设备管理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磁盘存储器管理第五章设备管理2第五章设备管理*完成用户I/O请求，分配I/O设备主要任务：*提高CPU与I/O设备的利用率*方便用户使用I/O设备*缓冲管理：主要功能：*设备分配：*设备处理：*虚拟设备：第五章设备管理35.1I/O系统第五章设备管理45.1.1I/O设备1、I/O设备的类型（2）低速设备，如：键盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备；中速设备，如：行式打印机、激光打印机等；高速设备，如：磁带机、磁盘机、光盘机等。（1）存储设备输入/输出设备第五章设备管理5（4）独占设备共享设备虚拟设备1、I/O设备的类型（3）块设备(BlockDevice)，用于信息的存储，以数据块为单位，属于有结构设备。字符设备(CharacterDevice)，用于数据的输入和输出。第五章设备管理6DeviceDataRate/sKeyboard10bytesMouse100bytes56Kmodem7KBTelephonechannel8KBDualISDNlines16KBLaserprinter100KBScanner400KBClassicEthernet1.25MBUSB1.5MBDigitalcamcorder4MBIDEdisk5MB40xCD-ROM6MBFastEthernet12.5MBISAbus16.7MBEIDE(ATA-2)disk16.7MBFireWire50MBXGAmonitor60MBSONETOC-1278MBSCSIUltra2disk80MBGigabitEthernet125MBUltriumtape320MBPCIbus528MBSunGigaplaneXBbackplane20GBDataRateofTypicalDevices第五章设备管理72、设备与控制器之间的接口图5-1设备与控制器间的接口缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备*数据信号：信号类型*控制信号：*状态信号：第五章设备管理85.1.2设备控制器1、设备控制器的基本功能1)接收和识别命令2)数据交换3)标识和报告设备的状态4)地址识别5)数据缓冲6)差错控制是CPU与I/O设备间的接口第五章设备管理92、设备控制器的组成图5-2设备控制器的组成*设备控制器与CPU的接口*设备控制器与设备的接口*I/O逻辑数据寄存器控制/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第五章设备管理105.1.3I/O通道1、I/O通道（I/OChannel）设备的引入*目的：是为了建立独立的I/O操作，以便进一步减少CPU的干预；*方法：使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担；*实质：是一种特殊的处理机；*区别：指令类型单一，没有自己的内存。第五章设备管理112、通道类型*字节多路通道：*数组选择通道：*数组多路通道：*用于连接多个速度较低的I/O设备的通道。*用于连接多个速度较高的I/O设备的通道，在一段时间内，只允许一个与通道交换数据。*用于连接多个速度较高的I/O设备的通道，在一段时间内，它允许几个通道程序分时并行工作，相应地几种高速设备也就并行地工作。第五章设备管理122、通道类型图5-3字节多路通道的工作原理控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备第五章设备管理133、“瓶颈”问题图5-4单通路I/O系统设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器第五章设备管理14图5-5多通路I/O系统3、“瓶颈”问题I/O设备控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备I/O设备I/O设备第五章设备管理155.1.4总线系统图5-6总线型I/O系统结构CPU存储器磁盘控制器打印机控制器…其它控制器磁盘驱动器打印机系统总线PC/XT总线，ISA总线，EISA总线，PCI总线，AGP总线……第五章设备管理16（1）高性能（2）线性突发传输（3）减少存取延迟（4）采用总线主控和同步操作（5）不受处理器限制PCI总线的特点：（6）适用于各种机型（7）兼容性强（8）预留扩展空间（9）成本低、效率高（10）向前的扩展性PCI：PeripheralComponentInterconnect外围设备互联总线第五章设备管理17（1）采用双重驱动技术（2）采用带边信号传送技术（3）采用内存请求流水线技术（4）减少对PCI总线的传输压力AGP总线的特点：AGP（AcceleratedGraphicsPort，加速图形接口），是Intel推出的一种3D图形标准接口，它能够提供四倍于PCI的效率，AGP2X的传输速率达到533MB`第五章设备管理185.2I/O控制方式1、I/O控制发展的宗旨：*尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁忙的I/O控制事务中解脱出来，以更多地去完成其数据处理任务。2、I/O控制方式*程序I/O方式：*中断驱动方式：*DMA方式：*I/O通道控制方式：*通道、通道程序、通道指令第五章设备管理195.2.1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控制器中读入字向存储器中写字传送完成？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方式第五章设备管理205.2.2中断驱动I/O控制方式向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控制器中读字向内存中写字传送完成？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)中断驱动方式第五章设备管理215.2.2中断驱动I/O控制方式第五章设备管理225.2.3直接存储器访问（DMA）I/O控制方式1、DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入①传输的基本单位是数据块；②所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；③仅在传送数据块的开始和结束时才需CPU干预；④进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。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方式第五章设备管理232、DMA控制器的组成图5-8DMA控制器的组成DRMARDCCRI/O…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控制器控制器逻辑DR：DataRegisterDC：DataCounterMAR：MemoryAddressRegisterCR：CommandandStateRegister第五章设备管理243、DMA工作过程图5-9DMA方式的工作流程设置AR和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第五章设备管理255.2.3DMAI/O控制方式第五章设备管理265.2.4I/O通道控制方式1、I/O通道控制方式的引入通道方式把对一个数据块的读（或写）为单位的干预，减少为对一组数据块的读（或写）及有关的控制和管理为单位的干预。实现了CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，进一步提高整个系统的资源利用率。通道程序是由一系列通道指令（即通道命令）构成。通道指令通常包括：操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束标志R等。2、通道程序第五章设备管理27操作PR计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507202、通道程序程序的最后一条指令所处理记录的最后一条指令第五章设备管理285.3缓冲管理5.3.1缓冲的引入(1)缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。(2)减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制。(3)提高CPU和I/O设备之间的并行性。缓冲技术：以空间换时间，而且只能在设备使用不均衡时起到平滑作用。第五章设备管理29UnbufferedBufferinuserspaceBufferinkernelDoublebufferfollowedbyinthekernelcopyingtouserspace第五章设备管理30图5-10利用缓冲寄存器实现缓冲1位缓冲9.6Kb/s8位缓冲寄存器送内存9.6Kb/s8位缓冲寄存器9.6Kb/s送内存(b)(a)(c)第五章设备管理315.3.2单缓冲和双缓冲1、单缓冲(SingleBuffer)图5-11单缓冲工作示意图工作区处理(C)缓冲区传送(M)输入(T)I/O设备(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用户进程第五章设备管理322、双缓冲(DoubleBuffer)图5-12双缓冲工作示意图工作区用户进程缓冲区1缓冲区2I/O设备T1(缓冲1)M1C1M2C2M3C3T2(缓冲2)T3(缓冲3)M4C4T4(缓冲4)(a)(b)输入T传送M处理C第五章设备管理33图5-13双机通信时缓冲区的设置缓冲区缓冲区A机B机(a)单缓冲发送缓冲区接收缓冲区接收缓冲区发送缓冲区A机B机(b)双缓冲第五章设备管理345.3.3循环缓冲1、循环缓冲的组成图5-14循环缓冲RGGGRG165423NextiNextgRGGGRC165423NextiNextgCurrent第五章设备管理352、(1)Getbuf过程。(2)Releasebuf过程。3、进程同步(1)Nexti指针追赶上Nextg指针。(2)Nextg指针追赶上Nexti指针。第五章设备管理365.3.4缓冲池（BufferPool）1、①空(闲)缓冲区②装满输入数据的缓冲区③装满输出数据的缓冲区(1)空缓冲队列emq(2)输入队列inq(3)输出队列outq第五章设备管理372、Getbuf过程和Putbuf过程ProcedureGetbuf(type)beginWait(RS(type));Wait(MS(type));B(number):=Takebuf(type);Signal(MS(type));endProcedurePutbuf(type,number)beginWait(MS(type));Addbuf(type,number);Signal(MS(type));Signal(RS(type));endRS：ResourceSemaphoreMS：mutexSemaphore第五章设备管理383、缓冲区的工作方式图5-15缓冲区的工作方式hinsoutsinhout收容输入提取输出用户程序提取输入收容输出缓冲池(1)空缓冲队列emq(2)输入队列inq(3)输出队列outq第五章设备管理395.4I/O软件5.4.1I/O软件的设计目标和原则1、设计目标（1）总体目标：高效率、通用性；（2）与具体设备无关；（3）统一命名；（4）对错误的处理；（5）缓冲技术；（6）设备的分配和释放；（7）I/O控制方式；第五章设备管理405.4.1I/O软件的设计目标和原则2、系统层次结构图5-16I/O系统的层次及功能硬件中断处理程序设备驱动程序设备独立性软件用户层软件I/O应答I/O请求产生I/O请求、格式化I/O、Spooling映射、保护、分块、缓冲、分配设置设备寄存器、检查寄存器状态执行I/O操作协调主机与I/O设备的通信第五章设备管理415.4.1I/O软件的设计目标和原则2、系统层次结构I/OsystemLayersandtheirmainfunctions第五章设备管理425.4.2中断处理程序的处理过程12、保护被中断进程的CPU3、转入相应的设备处理程序4、中断处