第九章 外围设备管理

引言数据传输控制方式中断技术缓冲技术设备分配I/O进程控制设备驱动程序第九章设备管理（外围）外设的特点种类多差异大(控制和速度)外设管理目的包括外设资源的控制外设资源的共享提高外设资源的利用率。简介9.1引言I/O设备管理的重要性外部设备类型和特征设备管理的目的和功能外设管理结构1、I/O管理的重要性I/O设备就像计算机系统的五官和四肢I/O性能经常成为系统性能的瓶颈CPU性能不等于系统性能响应时间也是一个重要因素CPU性能越高，与I/O差距越大弥补：更多的进程进程切换多，系统开销大1、I/O管理的重要性操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键I/O技术很实用与其他功能联系密切，特别是文件系统2、外部设备类型和特征人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器计算机间的通信设备：网卡、调制解调器按交互对象分类按交互方向分类输入（可读）：键盘、扫描仪输出（可写）：显示设备、打印机输入/输出（可读写）：磁盘、网卡按外设特性分类数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘)信息组织特征：单个字符或数据块字符设备(如打印机)：通常的输入输出型设备，以字符为单位存储、传输信息；不可寻址块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址按使用特性对外部设备的分类从程序使用角度分类逻辑设备:用户程序中使用的设备物理设备：实际完成I/O操作的设备按资源分配角度分类独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）虚设备在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备.（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术——用硬盘模拟输入输出设备）3、外设管理的目的和功能1）外设管理目的提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型2）设备管理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：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理（虚拟设备）。I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率3）设备管理的任务选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作控制输入输出设备和CPU之间数据交换为用户提供一个友好的用户接口，使得用户在使用和编程时不需要了解硬件特性提高设备和设备之间、CPU和设备之间、进程和进程之间的并行操作度5、外部管理结构UserProcessLogicalI/ODeviceI/OScheduling&Control(DeviceDriver)HardwareCommunicationsArchitecture5、外部管理结构逻辑I/O：逻辑设备(也称为虚拟设备)实体，不涉及实际的设备控制；针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open,Close,Read,Write。针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈；针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制；设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。用户命令到设备操作序列的转换I/O缓冲：提高I/O效率。5、外部管理结构调度和控制：物理设备控制实体；直接面对硬件设备的控制细节。这部分通常体现为设备驱动程序。并发I/O访问调度设备控制和状态维护中断处理9.2数据传送控制方式（I/O控制技术）*是本章重点内容之一，也是考点设备管理任务之一－控制设备和内存或CPU之间的数据传送外围设备与内存间常用的数据传送控制方式：程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道方式评价数据传送控制方式的原则数据传输速度足够高，能满足用户的需要但又不丢失数据系统开销小，所需的处理控制程序少能充分发挥硬件资源的能力，使得I/O设备尽量忙，而CPU等待时间少9.2.1程序直接控制方式概念：I/O操作由程序发起，并等待操作完成。数据的每次读写通过CPU。1、程序控制I/O(programmedI/O)处理过程2、程序控制缺点在外设进行数据处理时，CPU只能等待。CPU与外设只能串行工作只适用于CPU执行速度较慢，且外围设备较少的系统9.2.2中断驱动方式(Interrupt-drivenI/O)概念：I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入）由外设向CPU发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过CPU。1、中断控制方式的传送结构2、中断驱动方式处理过程3、中断方式特点优点在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。缺点CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字节），只适于数据传输率较低的设备。9.2.3直接存储访问方式(DMA,DirectMemoryAccess)由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起I/O操作，而后者完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需CPU控制，适于高速设备。1、I/O控制器结构DataCountDataRegisterAddressRegisterControlLogicDMARequestDMAAcknowledgeInterruptReadWriteAddressLinesDataLines2、DMA方式的传送结构DMA方式的数据传送处理过程3、DMA工作原理存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数送入DMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器,中断允许位和启动位置成1，启动设备发出传输要求的进程进入等待状态,执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据CPU输入设备不断窃取CPU工作周期，数据不断写入内存传送完毕，发出中断信号CPU接到中断信号转入中断处理程序处理中断处理结束，CPU返回原进程或切换到新的进程DMA工作原理窃取总线控制权DMA（I/O处理器）和CPU共享主存储器和总线，因此会出现通道和CPU同时争相访问主存的情况。因此给通道和CPU规定了不同的有限次序；通常CPU被规定为最低优先级。在微机中，系统总线的使用是在CPU控制之下的，当I/O处理器要求使用总线时，向CPU发出请求总线的信号，CPU就把总线使用权暂时转让给I/O处理器。DMA执行的时机处理器周期处理器周期处理器周期处理器周期处理器周期处理器周期指令周期时间取指令指令解码取操作数执行指令保存结果进程中断DMA断点中断点CPU恰好在它需要使用总线之前被挂起，即暂停一个总线周期DMA方式与中断方式的主要区别中断方式是在数据缓冲寄存器满后，发中断请求，CPU进行中断处理;DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理，中间只是暂停一个CPU周期大大减少了CPU进行中断处理的次数中断方式的数据传送是由CPU控制完成的DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的，因此避免了因速度不匹配而造成数据丢失的现象。（DMA硬件比较复杂）DMA特点优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的一批数据读写无需CPU控制，适于高速设备。缺点：DMA方式对外围设备的管理和某些操作仍由CPU控制；多个DMA控制器的同时使用显然会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存然后，按指定字节数进行数据传送每当传送一个字节后，字节计数器值减1，直到字节计数器等于0此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成CPU提供:被读取块磁盘地址目标存储地址待读取字节数整块数据读进缓冲区核准校验DMA工作示例（以硬盘为例）9.2.4通道控制方式是可以执行程序的、负责且只负责操纵输入输出设备的、功能简单专用的、低速、低性能的、造价低的专用处理机。负责管理设备与内存之间的数据传送的一切工作。CPU只是命令I/O处理器执行主存中的I/O程序。当整个I/O程序执行完成后，CPU被I/O模块中断1.通道（I/O处理机）定义（见教材P230）2.通道控制器(ChannelController)有自己的专用存储器可以执行由通道指令组成的通道程序可以进行较为复杂的I/O控制，如网卡信道访问控制。通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里。通道指令引入目的：在通道控制方式中，I/O控制器中没有传送字节计数器和内存地址寄存器。通道指令内容：被交换数据的内存地址、传送方向、数据块长度、被控制I/O设备的地址信息、特征信息等通道指令格式操作码（读、写或控制）、通道指令结束标志、记录结束标志、计数段（数据块长度）、内存地址段通道指令实例write002501850write112507203.引入通道的目的与优点目的为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力。优点执行一个通道程序可以完成几批I/O操作。通道方式的数据传送结构DMA和通道数据传输方式区别DMA：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送的数据块长度由CPU控制通道方式：数据的传输方向、存放数据的内存地址和传送的数据块长度由通道本身完成。DMA控制器只能控制一台DMA设备，而一个通道控制器可以控制多个通道设备4.通道分类选择通道(selectorchannel)：可以连接多个外设，而一次只能访问其中一个外设成组多路通道(Blockmultiplexorchannel)：可以并发访问多个外设，同时连接多个中速块设备。字节多路通道：多个字符设备1)字节多路通道字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机，终端。字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理2)选择通道选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输选择通道当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备3)成组多路通道它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令主要连接高速设备对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交叉地传输一批批数据。数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现3)成组多路通道硬件连接结构3)成组多路通道通道：执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPU发中断信号的功能。一旦CPU发出指令，启动通道，则通道独立于CPU工作。一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接主要目的是启动外设时：提高了控制器效率提高可靠性提高并行度3)成组多路通道设备、控制器、通道、内存之间的关系(单通道I/O系统)3)成组多路通道设备、控制器、通道、内存之间的关系（多通道I/O系统，交叉连接)通道控制方式数据输入处理过程当进程要求设备输入数据时，CPU发Start指令指明I/O操作、设备号和对应通道；对应通道接收到CPU发来的启动指令Start之后，把存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备的I/O控制器中的控制状态寄存器；设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中指定区域；若数据传送结束，I/O控制器通过中断请求线发出中断信号请求CPU做中断处理；中断处理结束后CPU返回被中断进程处继续执行。从CPU执行的角度描述通道控制9.3中断技术在计算机工作中