操作系统原理 第5章 设备管理.ppt

操作系统原理教程第5章 设备管理本章教学目标 l熟悉设备管理的主要功能l掌握输入输出控制的三种方式l掌握缓冲技术和SPOOLing技术l掌握设备的分配l熟悉设备的处理 本章教学内容l设备管理概述l输入输出系统l设备分配与回收l设备处理l设备管理采用的技术 设备管理概述l设备管理的任务l设备管理的主要功能l设备的分类 设备管理的任务l是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，提高CPU与I/O设备的利用率，提高I/O设备的速度，方便用户使用I/O设备。设备管理的主要功能l缓冲管理是管理好各种类型的缓冲区，协调各类设备的工作速度，提高系统的使用效率。其实现机制是采用不同类型的缓冲区机制。l设备分配是根据用户提出的I/O请求，为其分配所需要的设备。其实现机制是配置设备控制表、控制器控制表等数据结构。l设备处理是实现CPU和设备控制器之间的通信。其实现机制是通过相应的处理程序来实现。l虚拟设备是把每次只允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。设备的分类l按设备的从属关系分类可以把设备分为系统设备和用户设备 l按操作特性分类可以把设备分为存储设备和I/O设备l按设备共享属性分类可以把设备分为独享设备、共享设备和虚拟设备。l按信息交换单位分类可以把设备分为块设备和字符设备。输入输出系统lI/O系统的结构lI/O设备控制器lI/O通道lI/O系统的控制方式 I/O系统的结构l微机I/O系统微机的I/O系统一般采用总线I/O系统结构，如图5-1所示。l主机I/O系统 具有通道的I/O系统结构如图5-2所示。其中，I/O系统共分为4级：最低级为I/O设备，次低级为设备控制器，次高级为I/O通道，最高级是主机。I/O设备控制器l设备控制器的概念 设备控制器是CPU与外围设备之间的接口，是一个可编址设备，每一个地址对应一个设备。l设备控制器的功能接收和识别命令 数据交换 设备状态的了解和报告 地址识别 l设备控制器的组成 控制器都是由以下三部分组成的，如图5-3所示。I/O通道lI/O通道的概念 I/O通道是指专门负责输入输出工作的处理机。lI/O通道的分类 字节多路通道数据选择通道数组多路通道I/O系统的控制方式l程序直接控制方式l中断控制方式l直接存储器存取控制方式l通道控制方式 程序直接控制方式l程序直接控制方式的概念 程序直接控制方式也称为“忙等待”方式，即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。l程序直接控制方式的步骤 当用户需要输入数据时，由处理机向设备控制器发出一条I/O指令，启动设备进行输入。在设备输入数据期间，处理机通过循环执行测试指令不间断地检测设备状态寄存器的值，当状态寄存器的值显示设备输入完成时，处理机将数据寄存器中的数据取出，送入内存指定的存储单元，然后再启动设备去读取下一个数据。当用户进程需要向设备输出数据时，也必须同样发出启动命令启动设备输出，并等待输出操作完成。l程序直接控制方式的特点 工作过程简单，CPU的利用率低。中断控制方式1l中断控制方式的概念 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。中断控制方式2l中断控制方式的步骤需要输入数据的进程，通过CPU发出启动指令，启动外设输入数据。该指令同时还将状态寄存器中的中断允许位打开。在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃处理机，等待输入完成。从而，进程调度程序调度其他就绪进程占据处理机。当输入完成时，I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号。CPU在接收到中断信号后，转向设备中断处理程序。设备中断处理程序将输入数据寄存器中的数据传输到某一特定内存单元中，以便供要求输入的进程使用。同时，还把等待输入完成的那个进程唤醒，再返回到被中断的进程继续执行。在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从约定的内存单元中取出数据做进一步处理。中断控制方式3l中断控制方式的特点中断控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每输入输出一个数据都发生中断，传输一次数据需要多次中断，浪费了CPU的处理时间。直接存储器存取控制方式1l直接存储器存取控制方式的概念 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。直接存储器存取控制方式2l直接存储器存取控制方式的步骤 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。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。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。DMA控制器在传送字节数完成时，通过中断请求线发出中断信号，CPU收到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完成的进程，并返回被中断的程序。在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。直接存储器存取控制方式3l直接存储器存取控制方式的特点I/O数据传输速度快，CPU负担少。在DMA方式下，数据的传送方向、存放数据的内存始址及传送数据的长度等都由CPU控制。每台设备需要配一个DMA控制器。通道控制方式1l通道控制方式的概念 是一种以内存为中心，是设备与内存直接交换数据的控制方式。CPU只需要发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可以启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。通道控制方式2l通道控制方式的步骤 当进程要求输入数据时，CPU发启动指令指明I/O操作、设备号和对应通道。对应通道接收到CPU发来的启动指令后，把存放在内存中的通道指令程序读出，并执行通道程序，控制设备将数据传送到内存中指定的区域。若数据传输结束，则向CPU发出中断请求。CPU收到中断信号后转中断处理程序，唤醒等待输入完成的进程，并返回被中断的程序。在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从指定的内存始址取出数据做进一步处理。通道控制方式3l通道控制方式的特点 通道所需要的CPU干预更少。一个通道可以控制多台设备。CPU 的利用效率高。设备分配与回收l设备分配中的数据结构 l设备分配应考虑的因素 l设备分配 l设备回收 l对设备分配程序的改进 设备分配中的数据结构 l设备控制表（DCT）系统为每个设备配置一张设备控制表，用于记录设备的特性及I/O控制器连接的情况。l控制器控制表（COCT）每个控制器配置一张表，它反映控制器的使用状态以及和通道的连接状况等。l通道控制表（CHCT）为每个通道配置一张表，它反映通道的使用状态。l系统设备表（SDT）它记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个表目。整个系统配置一张。l如图5-5所示 设备分配应考虑的因素 l设备的使用性质l设备的分配算法l设备分配的安全性l设备的独立性 设备分配 l步骤：分配设备l如图5-6所示。分配控制器l如图5-7所示。分配通道l如图5-8所示。设备回收 l回收过程如图5-9所示。对设备分配程序的改进l设备分配程序的两个特点 一是，进程是以物理设备名来提出I/O请求的。二是，系统采用的是单通路的I/O系统结构。这样的系统容易产生“瓶颈”现象。l对设备分配程序的改进增加设备的独立性 考虑多通路情况 设备处理l设备驱动程序的功能和特点 l设备驱动程序的处理过程 设备驱动程序的功能和特点 1l设备驱动程序的功能 一是把抽象要求转化为具体要求。二是检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。三是发出I/O 命令，启动分配到的I/O设备，完成指定的I/O操作。四是及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。五是对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。设备驱动程序的功能和特点2l设备处理的方式 一是为每一类设备设置一个进程，它专门执行这类设备的I/O操作。二是在整个系统中设置一个I/O进程，专门负责对系统中所有各类设备的I/O操作。三是不设置专门的设备处理进程，只为各类设备设置相应的设备处理程序，供用户进程或系统进程调用。设备驱动程序的功能和特点3l设备驱动程序的特点一是驱动程序主要是在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信程序。二是驱动程序与I/O设备的特性密切相关。三是驱动程序与I/O控制方式紧密相关。四是驱动程序与硬件紧密相关，其部分被固化在ROM 中。设备驱动程序的处理过程l将抽象要求转化为具体要求 l检查I/O请求的合法性 l读出和检查设备的状态 l传送必要的参数 l设置工作方式 l启动I/O 设备 设备管理采用的技术 l缓冲技术l中断技术l假脱机技术 缓冲技术1l引入缓冲的主要原因 缓和CPU与I/O设备间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设备间的并行性 缓冲技术2l对缓冲区的理解 缓冲是提高CPU与外设并行程度的一种技术。凡是数据来到速度和离去速度不同的地方都可以使用缓冲区。如CPU与内存之间有高速缓存（Cache Memory），主存与显示器之间有显示缓存，主存与打印机之间有打印缓存等等。缓冲的实现方式有两种：一是，采用硬件缓冲器实现；二是，在内存划出一块区域，专门用来存放临时输入输出的数据，这个区域称为缓冲区。根据系统设置缓冲区的个数，将缓冲技术分为：单缓冲、双缓冲、循环缓冲、缓冲池。缓冲技术3l缓冲技术分类单缓冲l概念、工作原理、特点 如图5-11所示。双缓冲l概念、工作原理、特点 如图5-12所示。循环缓冲l概念、工作原理、特点 如图5-13所示。缓冲池l概念、工作原理、特点 如图5-14所示。中断技术l中断的概念 l中断的类型 l中断的响应 l中断的处理 中断的概念 l中断是由于某些事件的出现，中止现行进程的执行，而转去处理出现的事件，中断事件处理完后，再继续运行被中止进程的过程。l在这里引起中断的事件称为中断源。中断事件通常由硬件发现。l对出现的事件进行处理的程序称为中断处理程序。中断处理程序是由操作系统处理的，属于操作系统的组成部分。中断的类型 l硬件故障中断是由于机器故障造成的中断。如电源故障、主存出错。l程序中断是由于程序执行到某条机器指令时可能出现的各种问题而引起的中断。如：发现定点操作数溢出、除数为0、地址越界等等。l外部中断是由各种外部事件引起的中断。如按压了中断键、定时时钟时间到。l输入输出中断是输入输出控制系统发现外围设备完成了输入输出操作或在执行输入输出时通道或外围设备产生错误而引起的中断。l访管中断是正在运行的进程执行访管指令时引起的中断。如分配一台外设。中断的响应 l概念在处理器执行完一条指令后，硬件的中断装置就立即检查有无中断事件发生，若有，则停止现行进程，由操作系统中的中断处理程序占用处理器，这一过程称为“中断响应”。l 中断的处理l中断处理过程如图5-15所示。当中断装置发现中断事件后，先把中断事件存放到程序状态字寄存器中的中断码位置。把程序状态字寄存器中的“当前PSW”作为“旧 PSW”保存到预先约定的主存的固定单元中。根据中断码，把该类事件处理程序的“新PSW”送入程序状态字寄存器。处理器就会按新PSW控制处理该事件的中断处理程序执行。当中断程序处理完后，再恢复现场，继续执行原先被中断的进程。假脱机技术l假脱机的概念 l假脱机技术的组成 l假脱机技术的特点 假脱机的概念 lSPOOLing技术就是用于将一台独占设备改造成共享设备的一种行之有效的技术。当系统中出现了多道程序后，可以利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机的功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这样，便可在主机的直接控制下，实现脱机输入、输出功能。假脱机技术的组成 l假脱机技术由输入井和输出井输入缓冲区和输出缓冲区输入进程和输出进程请求打印队列组成l如图5-16所示 假脱机技术的特点l提高了I/O 速度。SPOOLing技术引入了输入井和输出井，可以使输入进程、用户进程和输出进程同时工作，提高了I/O 速度。l将独占设备改造为共享设备。由于SPOOLing技术把所有用户进程的输出都送入输出井，然后再由输出进程完成打印工作，而输出井在磁盘上，为共享设备。这样SPOOLing技术就把打印机等独占设备改造为共享设备。l实现了虚拟设备功能。由于SPOOLing技术实现了多个用户进程共同使用打印机这种独占设备的情况，从而实现了把一个设备当成多个设备来使用的情况，即虚拟设备的功能。本章小结 l设备管理的主要任务是分配I/O设备。l主要目的是提高I/O设备的使用效率。l它的主要功能有：缓冲管理、设备分配、设备处理和虚拟设备等。l熟悉和掌握以下基本知识：熟悉和掌握以下基本知识：1设备的概念 2I/O系统 3设备控制器 4I/O通道 5I/O系统的控制方式 6设备分配采用的数据结构 7设备处理 8设备管理采用的技术 习 题 l一、单项选择题 120题l二、填空题 110题l三、判断题 110题l四、名词解释 110题l五、简答题 110题