孙钟秀操作系统第五章设备管理

15.1概述一、设备的分类二、设备控制器三、设备管理的目标四、设备管理的功能2一、设备的分类1、按传输速率分低速设备：每秒几个到数百字节。如Modem，键盘，鼠标等中速设备：每秒数千到数万字节。如激光打印机高速设备：每秒数百K到数兆。如磁盘、磁带32、按信息交换的单位分类字符设备：I/O传输的单位是字节，如打印机、modem等。特征：速率较低、I/O常采用中断驱动。块设备：I/O传输的单位是块，如磁盘、磁带。特征：速率高（几兆）、可随机访问任一块、I/O常采用DMA方式。43.按资源管理方式分类独占设备：在一段时间内只允许一个进程访问的设备。字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。共享设备：一段时间内允许多个进程同时访问的设备，多个进程对它的访问可以交叉进行，除磁带机外的块设备（如磁盘）属共享设备。虚拟设备：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台供多个用户（进程）共享的逻辑设备。一般可以利用假脱机（SPOOLing）技术实现虚拟设备。5二、设备控制器I/O设备通常由机械部分和电子部分所组成，电子部件称设备控制器或适配器，它是可插入主板扩充槽的印刷电路板，机械部件则是设备本身。一个控制器可以控制两个或更多同类设备。操作系统是与控制器打交道而非与设备本身交互，微机和小型机采用单总线模型，实现CPU和控制器间的数据传送，中、大型机则采用多总线结构和多通道方式，以提高并行操作程度。如果没有控制器，复杂操作必须由操作系统来解决，引入控制器后，通过传递简单参数就可进行I/O操作，大大简化系统的设计，有利于计算机系统对各类控制器和设备的兼容性。6设备控制器是CPU和设备之间的一个接口,它接收从CPU发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和设备之间的数据传输。设备控制器是一个可编址设备,当它连接多台设备时,则应具有多个设备地址。设备控制器主要功能:①接收和识别CPU或通道发来的命令②实现数据交换,包括设备和控制器间的数据传输,控制器和主存储器间传输数据③发现和记录设备及自身的状态信息,供CPU处理使用④设备地址识别7CPU主存显示器控制器显示器打印机控制器打印机……8二、设备管理的目标1、设备独立性设备独立性：应用程序独立于具体使用的物理设备。用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换。用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备。这很象程序对逻辑地址的使用。例如在系统中配备了两台打印机，用户要打印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。9设备独立性带来的好处1)便于系统增减或变更外围设备2)便于实现I/O重定向；易于对付外设故障3)提高了设备分配的灵活性和利用率102、提高设备利用率提高设备的使用效率是操作系统设备管理的重要目标。为达到此目标除了要合理分配和使用外部设备外，还应努力提高设备同CPU的并行程度。与此有关的技术有：中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。113、设备的统一管理外设的种类繁多，特性各异，主要差别反映在以下几个方面：速度：不同的设备处理和传递信息的速度差别甚大，如键盘每秒钟只能处理几个或几十个字符，而磁盘的处理速度可达几十MB/S传递单位：有的设备以字符为单位传递信息，如键盘。有的以字符块为单位传递信息，如磁盘。操作方法和特性：各种设备都有自己的特性和操作方法，如打印机只允许写操作，键盘只能做读操作，而磁盘既可读，也可写；卡片机中的卡片不能倒退，磁带机可反绕，磁盘可随机存取。出错条件：各种设备的出错条件不同，即数据传输失败的原因各种各样，如打印机有缺纸错，磁盘I/O有奇偶校验错等。12设备管理程序力图隐蔽上述各种设备的差别，向用户提供统一的设备使用接口，这会给系统的设计带来困难，但方便了用户。如UNIX系统把外设作为特别文件处理，把设备看作文件，用操作文件的方法来操作设备，这极大地方便了用户。这种设备管理方法无疑是个重大的突破。131、设备分配在多用户或多进程的环境中，每个用户在完成各自的任务时总是要使用外设，为用户或进程分配设备是设备管理的主要功能之一。设备分配包括：设备分配策略、分配的方式、分配技术和算法。2、设备控制设备控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱动和设备中断处理。3、实现其他功能包括对缓冲区的管理功能及实现设备独立性、虚拟设备等。三、设备管理的功能145.2I/O控制方式一、轮询方式二、中断方式三、DMA方式四、通道方式15一、轮询方式在早期的计算机系统中，由于无中断机构，对设备的控制采用程序轮询方式。工作过程（以输入为例）CPU向控制器发出一条I/O指令启动输入设备输入数据，同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1；然后不断地循环检测busy。如果busy=1，说明输入设备尚未输入一个字，CPU继续检测；直至busy=0，说明输入设备已将数据送入控制器的数据寄存器中，CPU将数据寄存器数据取出送入内存指定单元中。轮询方式使CPU的绝大部分时间都处于循环测试中，浪费大量CPU时间。16二、中断方式为了提高CPU和设备的利用率，就应使CPU与设备并行工作，采用I/O中断方式。中断方式要求CPU与设备控制器及设备之间有中断请求线，控制器的状态寄存器有相应中断允许位。CPU与设备之间数据传输过程：1)进程发出启动I/O指令，这时CPU会加载控制信息到设备控制器的寄存器，然后，进程继续执行或放弃CPU等待设备操作完成；2)设备控制器检查按照I/O指令的要求，执行相应I/O操作，一旦传输完成，设备控制器通过发出I/O中断信号；3)CPU收到并响应I/O中断后，转向处理该设备的I/O中断处理程序执行；4)中断处理程序执行数据读取操作，将I/O缓冲寄存器的内容写入主存，操作结束后退出中断处理程序，返回中断前的执行状态；5)进程调度程序在适当时刻恢复得到数据的进程执行。17分析在I/O设备输入/输出每个数据过程中，无需CPU干预，可使CPU与I/O设备并行工作，仅当输完一个数据时，才需发费极短时间去做中断处理，因此CPU利用率大大提高。缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都有一次中断。如果设备较多时，中断次数会很多，CPU的利用率也会降低。为减少中断对CPU造成的负担，可采用DMA方式和通道方式。18三、DMA（DirectMemoryAcess）方式DMA方式又称直接存储器访问方式。其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。控制器功能更强，除有中断功能外，还有一个DMA控制机构。在DMA控制器的控制下，设备同主存之间可成批交换数据，不用CPU干预。19数据传送的基本单位是数据块。所传送的数据是从设备送内存，或者相反。仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。DMA方式较之中断方式，大大减少了CPU进行中断处理的次数，进一步提高了CPU与I/O设备的并行程度.DMA方式的特点20四、通道方式I/O系统结构在大型计算机系统中较为典型的I/O系统结构是主机、通道、控制器和外部设备。21为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来，现代大、中型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机，并把这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内存与外设之间成批的数据交换。通道=I/O处理机22采用通道后的I/O操作过程：CPU在执行主程序时遇到I/O请求，它启动指定通道上选址的外围设备，一旦启动成功，通道开始控制外围设备进行操作。CPU就可执行其他任务并与通道并行工作，直到I/O操作完成。通道发出操作结束中断时，CPU才停止当前工作，转向处理I/O操作结束事件。23通道的发展新的通道思想综合了许多新的技术在个人计算机中，芯片组中有专门的I/O处理芯片，称为IOP（IOProcessor），发挥通道的作用IBM390中，沿用了输入输出通道概念IBM于1998年推出光纤通道技术（称为FICON），可通过FICON连接多达127个大容量I/O设备。传输速度是333MHz／s，未来将达到1GHz／s。光纤通道技术具有数据传输速率高、传输距离远，可简化大型存储系统设计的优点在大容量高速存储，如大型数据库、多媒体、数字影像等应用领域，有广泛前景245.3缓冲技术缓冲技术的目的是为了提高中央处理机与外设的并行程度。计算机系统中的各种设备(包括中央处理机)的运行速度差异甚大，CPU的运行速度是以微秒甚至以纳秒计，而设备的运行速度则是以毫秒甚至以秒计；（速度的差异）另一方面系统的负荷也不均匀，有时处理机进行大量的计算工作，没有I/O操作，有时又会进行大量的I/O操作，这两个极端都会造成系统中的一些设备过于繁忙，一部分设备过于空闲，严重地影响CPU与外设的并行工作。25为此人们提出用缓冲技术来匹配CPU与设备的速度的差异和负荷的不均匀，从而提高处理机与外设的并行程度。凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。26缓冲技术可以用硬件缓冲器来实现，在设备控制器中有硬件缓冲器，通常容量较小，一般为1个字节。软件缓冲技术是应用广泛的一种缓冲技术，它由缓冲区和对缓冲区的管理两部分组成。27常用的缓冲技术1、单缓冲2、双缓冲3、环形缓冲4、缓冲池281、单缓冲最简单的一种缓冲形式。当进程发出一I/O请求时，OS为之分配一缓冲区。对于输入：设备先将数据送入缓冲区，OS再将数据传给进程。对于输出：进程先将数据传入缓冲区，OS再将数据送出到设备。用户进程工作区缓冲区I/O设备输入传送292、双缓冲技术为了加快输入输出速度，引入双缓冲技术。原理：设置两个缓冲区buf1和buf2。读入数据时，首先输入设备向buf1填入数据，然后进程从buf1提取数据，在进程从buf1提取数据的同时,输入设备向buf2中填数据。当buf1取空时，进程又从buf2中提取数据，与此同时输入设备向buf1填数。如此交替使用两个缓冲区，使CPU和设备的并行操作的程度进一步提高。用户进程工作区buf1I/O设备buf2303、环形缓冲技术当生产和消费数据的速度基本匹配时，双缓冲能获得较好效果。但若两者速度相差甚远时，效果不太理想。但随着缓冲区的数量增加，使情况有所改善。因此引入环形缓冲技术。环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来。这样若干个缓冲区就形成了一个环，故称环形缓冲区。系统可循环使用这些缓冲区。环形缓冲区用于输入(输出)时，还要有两个指针IN和OUT。31324、缓冲池环形缓冲区一般用于特定的进程，属于专用缓冲区，当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲区，这不仅要消耗大量的内存空间，利用率也不高。为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池中各缓冲区的大小与用于I/O的设备的基本信息单位相似，缓冲池属于系统资源，由系统进行管理。缓冲池中各缓冲区可用于输出信息，也可用于输入信息，并可根据需要组成各种缓冲区队列。例如，UNIX系统中，在块设备管理中设置了一个15个缓冲区组成的缓冲池。335.4I/O软件I/O软件组织成四个层次I/O中断处理程序设备驱动程序独立于设备的I/O软件用户层I/O软件34一、I/O中断处理程序唤醒被阻塞的驱动（程序）进程保护被中断进程的CPU环境转入相应的设备处理程序中断处理恢复被中断进程的现场35二、设备驱动程序设备驱动程序包括与设备相关的代码，其工作是：把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名转化为端口地址、逻辑记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作等。设备驱动程序从与设备无关的软件中接收抽象的I/O请求。一条典型的请求是读第n块。如果请求到来时驱动程序空闲，则立即执行。如果它正在处理另一条请求，它将该请求挂在等待队列中。36设备驱动程序主要功能