设备管理-设备处理.ppt

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1、05:2905:29第五章第五章 设备管理管理5.1 概述概述5.2 I/O软件件5.3 I/O系系统硬件硬件5.4 有关技有关技术5.5 设备处理理5.6 典型外部典型外部设备 05:2905:295.15.1概述概述5.1.1I/O5.1.1I/O管理的重要性管理的重要性1.I/O1.I/O设备就像就像计算机系算机系统的五官和四肢的五官和四肢2.I/O2.I/O性能性能经常成常成为系系统性能的瓶性能的瓶颈(1)CPU(1)CPU性能不等于系性能不等于系统性能性能,响响应时间也是一个重要因素也是一个重要因素(2)CPU(2)CPU性能越高，与性能越高，与I/OI/O差距越大差距越大弥弥补：更

2、多的：更多的进程程(3)(3)进程切程切换多，系多，系统开开销大大05:2905:293.操作系统庞大复杂的原因是：资源多、杂，并发，均来自I/O4.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5.I/O技术很实用6.与其他功能联系密切，特别是文件系统05:2905:295.1.25.1.2设备的分的分类1.1.按使用特性分按使用特性分.存存储型型设备.输入入输出型出型设备（交互型（交互型设备）.终端端设备.脱机脱机设备05:2905:292.2.按数据按数据组织分分 块设备 以以数数据据块为单位位存存储、传输信息，如磁信息，如磁盘，磁，磁带。字字符符设备 以以字字符符为单位

3、位存存储、传输信息，如打印机，信息，如打印机，终端。端。05:2905:293.3.按外部按外部设备的从属关系分的从属关系分 系系统设备 指指操操作作系系统生生成成时，登登记在在系系统中中的的标准准设备。（如。（如终端、打印机、磁端、打印机、磁盘机等）机等）用用户设备 指指在在系系统生生成成时，未未登登记在在系系统中中的的非非标准准设备。对于于这类设备的的处理理程程序序由由用用户提提供供，并并将将其其纳入入系系统，由由系系统代代替替用用户实施施管理。（如管理。（如A/DA/D，D/AD/A转换器，器，CADCAD所用所用专用用设备）05:2905:294.4.从从资源分配角度分源分配角度分 独

4、独占占设备 在在一一段段时间内内只只能能有有一一个个进程程使使用用的的设备，一一般般为低低速速I/OI/O设备。（如如打打印印机机，磁磁带等）等）共共享享设备 在在一一段段时间内内可可有有多多个个进程程共共同同使使用用的的设备，多多个个进程程以以交交叉叉的的方方式式来来使使用用设备，其其资源利用率高。（如硬源利用率高。（如硬盘）05:2905:29虚虚拟设备 在在一一类设备上上模模拟另另一一类设备，常常用用共共享享设备模模拟独独占占设备，用用高高速速设备模模拟低低速速设备，被被模模拟的的设备称称为虚虚拟设备。目目的的：将将慢慢速速的的独独占占设备改改造造成成多多个个用用户可共享的可共享的设备，

5、提高，提高设备的利用率的利用率（实例：例：SPOOLingSPOOLing技技术，利用虚，利用虚设备技技术用硬用硬盘模模拟输入入输出出设备）05:2905:295.5.从程序使用角度分从程序使用角度分逻辑设备物理物理设备6.6.按数据按数据传输率分率分高速高速设备低速低速设备05:2905:295.1.35.1.3设备管理的目管理的目标和任和任务1.1.按按照照用用户的的请求求，控控制制设备的的各各种种操操作作，完完成成I/OI/O设备与与内内存存之之间的的数数据据交交换（包包括括设备分分配配与与回回收收；设备驱动程程序序；设备中中断断处理理；缓冲区管理），最冲区管理），最终完成用完成用户的的

6、I/OI/O请求求05:2905:29设备管理功能：管理功能：（1 1）设备分配与回收分配与回收 记录设备的的状状态，根根据据用用户的的请求求和和设备的的类型型，采采用用一一定定的的分分配配算算法法，选择一一条条数数据通路据通路。（2 2）建立）建立统一的独立于一的独立于设备的接口的接口（3 3）完成）完成设备驱动程序，程序，实现真正的真正的I/OI/O操作操作（4 4）处理外部理外部设备的中断的中断处理理（5 5）管理）管理I/OI/O缓冲区冲区05:2905:292.2.向向用用户提提供供使使用用外外部部设备的的方方便便接接口口，使使用用户 摆脱繁脱繁琐的的编程程负担担方便性方便性友好界面

7、友好界面透明性透明性逻辑设备与物理与物理设备、屏蔽硬件、屏蔽硬件细节（设备的物理的物理细节，错误处理，不同理，不同I/OI/O的差异性）的差异性）05:2905:293.3.充充分分利利用用各各种种技技术（通通道道，中中断断，缓冲冲等等）提提高高CPUCPU与与设备、设备与与设备之之间的的并并行行工工作能力，充分利用作能力，充分利用资源，提高源，提高资源利用率。源利用率。并行性并行性均衡性（使均衡性（使设备充分忙碌）充分忙碌）05:2905:294.4.保保证在在多多道道程程序序环境境下下，当当多多个个进程程竞争争使使用用设备时，按按一一定定策策略略分分配配和和管管理理各各种种设备，使使系系统

8、能能有有条条不不紊紊地地工作。工作。5.5.保保护 设备传送送或或管管理理的的数数据据应该是是安安全全的的、不被破坏的、保密的。不被破坏的、保密的。05:2905:296 6.设备独立性独立性 用用户在在编制制程程序序时，使使用用逻辑设备名名，由由系系统实现从从逻辑设备到到物物理理设备（实际设备）的）的转换 用用户能能独独立立于于具具体体物物理理设备而而方方便便的的使用使用设备05:2905:295.1.4I/O5.1.4I/O技技术I/OI/O控制方式控制方式：程序：程序I/OI/O方式、中断方式、方式、中断方式、通道方式、通道方式、DMADMA方式。方式。这也是数据也是数据传送控送控制的四

9、种方式。制的四种方式。I/OI/O控制功能控制功能：解解释用用户的的I/OI/O系系统调用；用；设备驱动；中断中断处理。理。05:2905:295.2I/O5.2I/O软件件 I/OI/O软件件的的基基本本思思想想是是按按分分层的的思思想想构构成成，较低低层软件件要要使使较高高层软件件独独立立于于硬硬件件的的特特性性，较高高层软件件则要要向向用用户提提供供一一个个友友好好的的、清清晰晰的的、简单的、功能更的、功能更强的接口。的接口。05:2905:295.2.1I/O5.2.1I/O软件的目件的目标 在在设计I/OI/O软件件时的的一一个个关关键概概念念是是设备独独立立性性。用用户在在编写写使

10、使用用软盘或或硬硬盘上上文文件件的的程程序序时，无无需需为不不同同的的设备类型型而修改程序就可以使用。而修改程序就可以使用。与与设备独独立立性性密密切切相相关关的的是是统一一命命名名这一一目目标。一一个个文文件件或或一一个个设备的的名名字字只只应是是一一个个简单的的字字符符串串或或一一个个整整数数，不不应依依赖于于设备。05:2905:29 出出错处理理是是I/OI/O软件件的的另另一一个个目目标。一一般般来来说，数数据据传输中中的的错误应尽尽可可能能地在接近硬件地在接近硬件层上上处理理 最最后后一一个个问题是是可可共共享享设备和和独独占占设备的的处理理问题05:2905:295.2.25.2

11、.2中断中断处理理 每个每个进程在启程在启动一个一个I/OI/O操作后阻塞操作后阻塞 直到直到I/OI/O操作完成并操作完成并产生一个中断生一个中断 由操作系由操作系统接管接管CPUCPU后后唤醒醒该进程程为止止5.2.35.2.3设备驱动 与与设备密密切切相相关关的的代代码放放在在设备驱动程程序序中中，每每个个设备驱动程程序序处理理一一种种设备类型。型。05:2905:2955.2.4.2.4与与设备无关的无关的软件件 虽然然I/OI/O软件件中中一一部部分分是是设备专用用的的，但但大大部部分分软件件是是与与设备无无关关的的。设备驱动程程序序与与设备独独立立软件件之之间的的确确切切界限是依界

12、限是依赖于具体系于具体系统的。的。05:2905:2905:2905:29 1.1.独独立立于于设备的的软件件的的基基本本任任务是是实现所所有有设备都都需需要要的的功功能能，并并且且向向用用户级软件件提供一个提供一个统一的接口。一的接口。2.2.如如何何给文文件件和和设备这样的的对象象命命名名是是操操作作系系统中中的的一一个个主主要要课题。独独立立于于设备的的软件件负责把把设备的的符符号号名名映映射射到到正正确确的的设备驱动上。上。3.3.设备保保护 系系统如如何何防防止止无无权存存取取设备的的用用户存存取取设备呢？呢？05:2905:29 4.4.不不同同的的磁磁盘可可以以采采用用不不同同的

13、的扇扇区区尺尺寸寸。向向较高高层软件件掩掩盖盖这一一事事实并并提提供供大大小小统一一的的块尺尺寸寸，这正正是是设备独独立立软件件的的一一个个任任务。它它可可将将若若干干扇扇区区合合成成一一个个逻辑块。这样，较高高层的的软件件只只与与抽抽象象设备打打交交道道，独独立立于于物物理理扇扇区区的的尺尺寸而使用等寸而使用等长的的逻辑块。5.5.缓冲技冲技术6.6.设备分配分配7.7.出出错处理理 05:2905:2955.2.5.2.5用用户空空间的的I/OI/O软件件 尽尽管管大大部部分分I/OI/O软件件都都包包含含在在操操作作系系统中中，但但仍仍有有一一小小部部分分是是由由与与用用户程程序序连接接

14、在在一一起起的的库过程程，甚甚至至完完全全由由运运行行于于核核外外的的程程序序构构成成。系系统调用用，包包括括I/OI/O系系统调用，通常由用，通常由库过程程实现。这些些过程程所所做做的的工工作作只只是是将将系系统调用用时所所用用的的参参数数放在合适的位置，由其它的放在合适的位置，由其它的I/OI/O过程程实现真正的操作。真正的操作。05:2905:2905:2905:29（1 1）用用户进程程层执行行输入入输出出系系统调用用，对I IO O数数据据进行行格格式式化化，为假假脱脱机机输入入输出出作作准准备（2 2）独独立立于于设备的的软件件实现设备的的命命名名、设备的保的保护、成、成块处理、理

15、、缓冲技冲技术和和设备分配分配（3 3）设备驱动程程序序设置置设备寄寄存存器器、检查设备的的执行状行状态（4 4）中中断断处理理程程序序负责I IO O完完成成时，唤醒醒设备驱动程序程序进程，程，进行中断行中断处理理（5 5）硬件）硬件层实现物理物理I IO O的操作的操作05:2905:295.3I/O5.3I/O系系统硬件硬件5.3.15.3.1设备组成成 I/OI/O设备一一般般由由机机械械和和电子子两两部部分分组成成，把把这两两部部分分分分开开处理理，以以提提供供更更加加模模块化化，更更加加通通用的用的设计。I/OI/O设备特点：特点：（1 1）操作异步性）操作异步性（2 2）设备自治

16、性自治性（3 3）接口通用性）接口通用性05:2905:29 1.1.物理物理设备机械部分是机械部分是设备本身（物理装置）本身（物理装置）2.2.设备控制器控制器 电子部分叫做子部分叫做设备控制器或适配器。控制器或适配器。在在小小型型和和微微型型机机中中，它它常常采采用用印印刷刷电路路卡卡插插入入计算机中。算机中。控控制制器器卡卡上上通通常常有有一一个个插插座座，通通过电缆与与设备相相连。控控制制器器和和设备之之间的的接接口口是是一一个个标准准接接口，它符合口，它符合ANSIANSI、IEEEIEEE或或ISOISO这样的国的国际标准。准。05:2905:295.3.25.3.2设备接口接口

17、一一次次完完整整的的I/OI/O传送送过程程，典典型型地地由由一一长列列低低级信信号号组成成，这些些信信号号启启动设备所所执行行的的操操作作，并通并通过测试设备状状态来来监控控设备操作的操作的进展展一个一个I/OI/O过程由四步程由四步组成：成：准准备启启动测试和等待和等待结果果检查和和错误处理理通通过对设备接口寄存器接口寄存器组的的读写完成写完成设备接口复接口复杂繁繁琐05:2905:295.3.35.3.3设备连接模式接模式 指指I/OI/O设备与与CPUCPU之之间的的连接接方方式式，亦亦即即将将设备连接接到到一一个个计算算机机系系统上上的的方方式式。在在一一个个确确定定的的连接接模模式

18、式下下，从从I/OI/O设备到到CPUCPU间的的所所有有连接接成分构成了一条成分构成了一条I/OI/O路径（路径（I/OI/O链）1.1.总线 将将计算算机机系系统中中的的各各个个子子系系统（CPUCPU、内内存存、外外设等等）相相互互连接接，且且连接接是是共共享享的的线路路。分分为数据数据总线、地址、地址总线、控制、控制总线 2.2.控制器（适配器）控制器（适配器）电子部分：完成子部分：完成设备与主机与主机间的的连接和通接和通讯05:2905:2905:2905:2905:2905:293.DMA3.DMA 数数据据在在内内存存与与I/OI/O设备间的的直直接接成成块传送送。操操作作由由D

19、MADMA硬硬件直接完成。如下件直接完成。如下图所示：所示：当当DMADMA硬硬件件控控制制磁磁盘与与存存储器器之之间进行行信信息息交交换时，每每当当磁磁盘把把一一个个数数据据读入入控控制制器器的的数数据据缓冲冲区区时，DMADMA控控制制器器取取代代CPUCPU，接接管管地地址址总线的的控控制制权，并并按按照照DMADMA控控制制器器中中的的存存储器器地地址址寄寄存存器器内内容容把把数数据据送送入入相相应的的内内存存单元元中中。然然后后，DMADMA硬硬件件自自动地地把把传送送字字节计数数器器减减1 1，把把存存储器器地地址址寄寄存存器器加加1 1，并并恢恢复复CPUCPU对内内存存的的控控

20、制制权，DMADMA控控制制器器对每每一一个个传送送的的数数据据重重复复上上述述过程程，直直到到传送送字字节计数数器器为“0”“0”时，向向CPUCPU产生生一一个个中中断断信信号号。当当操操作作系系统接接管管CPUCPU控制控制权时，再无需做，再无需做块复制的工作了。复制的工作了。05:2905:29寄存器寄存器05:2905:29CPU向控制器向控制器发出启出启动DMA通知和有关参数通知和有关参数控制器向内存控制器向内存发出出询问请求求访问内存（内存（读、写）、写）计数器减数器减1发中断中断NYDMA的的实现流程流程结束否束否05:2905:295.45.4设备有关技有关技术5.4.15.

21、4.1通道技通道技术1.1.定定义：通通道道是是独独立立于于CPUCPU的的专门负责数数据据输入入/输出出传输工工作作的的处理理机机，对外外部部设备实现统一一管管理理，代代替替CPUCPU对输入入/输出出操操作作进行行控控制制，从从而而使使输入入/输出出操操作作可可与与CPUCPU并并行行操操作作。通通道道相相当当于于一一个个功功能能简单的的处理理机机，包包含含通通道道指指令令（空空操操作作，读操操作作，写写操操作作，控控制制，转移移操操作作），并并可可执行行用用这些些指指令令编写的通道程序。写的通道程序。05:2905:293.3.分分类1)1)字字节多路通道多路通道 字字节多多路路通通道道

22、以以字字节为单位位传输信信息息，它它可可以以分分时地地执行行多多个个通通道道程程序序。当当一一个个通通道道程程序序控控制制某某台台设备传送送一一个个字字节后后，通通道道硬硬件件就就控控制制转去去执行行另另一一个个通通道道程程序序，控控制制另另一一台台设备传送信息送信息 主主要要连接接以以字字节为单位位的的低低速速I/OI/O设备。如如打打印机，印机，终端。端。2.2.引入通道的目的引入通道的目的 为了了使使CPUCPU从从I/OI/O事事务中中解解脱脱出出来来，同同时为了了提提高高CPUCPU与与设备，设备与与设备之之间的的并并行行工工作能力。作能力。05:2905:29 2)2)选择通道通道

23、 选择通通道道是是以以成成组方方式式工工作作的的，即即每每次次传送送一一批批数数据据，故故传送送速速度度很很高高。选择通通道道在在一一段段时间内内只只能能执行行一一个个通通道道程程序序，只只允允许一一台台设备进行数据行数据传输 当当这台台设备数数据据传输完完成成后后，再再选择与与通通道道连接的另一台接的另一台设备，执行它的相行它的相应的通道程序的通道程序 主要主要连接磁接磁盘，磁，磁带等高速等高速I/OI/O设备05:2905:29 3)3)成成组多路通道多路通道 它它结合合了了选择通通道道传送送速速度度高高和和字字节多多路路通通道道能能进行行分分时并并行行操操作作的的优点点。它它先先为一一台

24、台设备执行行一一条条通通道道指指令令，然然后后自自动转接接，为另另一一台台设备执行一条通道指令行一条通道指令主要主要连接高速接高速设备 执行行通通道道程程序序，向向控控制制器器发出出命命令令，并并具具有有向向CPUCPU发中中断断信信号号的的功功能能。一一旦旦CPUCPU发出出指指令令，启启动通通道道，则通通道道独独立立于于CPUCPU工工作作。一一个个通通道道可可连接接多多个个控控制制器器，一一个个控控制制器器可可连接接多多个个设备，形成，形成树形交叉形交叉连接。接。05:2905:2905:2905:29交叉交叉连接接05:2905:295.4.2Spooling5.4.2Spooling

25、技技术 SpoolingSpooling（SimultaneausPeriphernalSimultaneausPeriphernalOperatingOn-LineOperatingOn-Line）技）技术是以通道是以通道为基基础，在操作系在操作系统的配合下，的配合下，实现联机情况下机情况下输入、入、输出外出外围操作同操作同时进行，也称行，也称为假脱机操作。假脱机操作。当系当系统引入多道程序技引入多道程序技术后，完全可以用其中后，完全可以用其中的一道程序模的一道程序模拟脱机脱机输入入时的外的外围控制机功能，控制机功能，把低速把低速I/OI/O设备上的数据上的数据传送到高速磁送到高速磁盘上；上

26、；再用其中的另一道程序模再用其中的另一道程序模拟脱机脱机输出出时的外的外围控制机功能，把数据从磁控制机功能，把数据从磁盘传送到低速送到低速输出出设备上。上。这样就就缓和了和了CPUCPU的高速性与的高速性与I/OI/O的低速的低速之之间的矛盾的矛盾。05:2905:29SpoolingSpooling系系统主要功能主要功能 将将输入入设备上的信息写到上的信息写到辅存存输入井上；入井上；系系统或用或用户程序从程序从输入井中入井中读信息；信息；系系统或用或用户程序将数据写到程序将数据写到输出井中出井中 将从将从输出井中数据交出井中数据交给慢速慢速输出出设备。05:2905:295.4.3DMA5.

27、4.3DMA技技术 DMADMA(direct(directmemorymemoryaccess)access)方方式式与与中中断断方方式式的主要区的主要区别中中断断方方式式是是在在数数据据缓冲冲寄寄存存区区满后后，发中中断断请求求，CPUCPU进行行中中断断处理理；DMADMA方方式式则是是在在所所要要求求传送送的的数数据据块全全部部传送送结束束时要要求求CPUCPU进行行中中断断处理理，大大减少了大大减少了CPUCPU进行中断行中断处理的次数。理的次数。中中断断方方式式的的数数据据传送送是是由由CPUCPU控控制制完完成成的的；而而DMADMA方方式式则是是在在DMADMA控控制制器器的的

28、控控制制下下不不经过CPUCPU控制完成的。控制完成的。05:2905:29控制器按照指定存控制器按照指定存储器地址，把第一个字器地址，把第一个字节送入主存，送入主存，然后，按指定字然后，按指定字节数数进行数据行数据传送，送，每当每当传送一个字送一个字节后，字后，字节计数器数器值减减1 1，直到字，直到字节计数器等于数器等于0 0此此时，控制器引，控制器引发中断，通知操作系中断，通知操作系统，操作完成。，操作完成。CPUCPU提供提供被被读取取块磁磁盘地址地址目目标存存储地址地址待待读取字取字节数数整整块数据数据读进缓冲区冲区核准校核准校验DMADMA工作示例工作示例（以硬（以硬盘为例）例）0

29、5:2905:29DMADMA工作原理工作原理存放存放输入数据的内存起始地址、要入数据的内存起始地址、要传送的字送的字节数数送入送入DMADMA控制器的内存地址寄存器和控制器的内存地址寄存器和传送字送字节计数器数器中断允中断允许位和启位和启动位置成位置成1 1，启，启动设备发出出传输要求的要求的进程程进入等待状入等待状态执行指令被行指令被暂时挂起，挂起，进程程调度其他度其他进程占据程占据CPUCPU输入入设备不断窃取不断窃取CPUCPU工作周期，数据不断写入内存工作周期，数据不断写入内存传送完送完毕，发出中断信号出中断信号CPUCPU接到中断信号接到中断信号转入中断入中断处理程序理程序处理理中

30、断中断处理理结束，束，CPUCPU返回原返回原进程或切程或切换到新的到新的进程程05:2905:295.4.45.4.4缓冲技冲技术1.1.缓冲（冲（BufferBuffer）技）技术的引入的引入 凡凡是是数数据据到到达达和和离离去去速速度度不不匹匹配配的的地地方方均均可可采采用用缓冲技冲技术。在在操操作作系系统中中采采用用缓冲冲是是为了了实现数数据据的的I/OI/O操操作作，以以缓解解CPUCPU与与外外部部设备之之间速速度度不不匹匹配配的矛盾，提高的矛盾，提高资源利用率。源利用率。缓冲技冲技术 减少了减少了I/OI/O设备对处理器的中断理器的中断请求次数求次数 简化了中断机制化了中断机制

31、节省了系省了系统开开销05:2905:292.2.缓冲区冲区设置置 硬硬缓冲：在冲：在设备中中设置置缓冲区，由硬件冲区，由硬件实现 软缓冲：在内存中开辟一个空冲：在内存中开辟一个空间，用作，用作缓冲区冲区3.3.缓冲区管理冲区管理单缓冲冲 双双缓冲冲 缓冲冲池池：多多个个缓冲冲区区连接接起起来来统一一管管理理，构构成成缓冲冲池池，池池中中设置置了了多多个个可可供供若若干干进程程共共享享的的缓冲区，避免内存的大量消耗。冲区，避免内存的大量消耗。05:2905:294.CPU4.CPU高速高速缓冲冲在在计算算机机中中，为了了减减少少CPUCPU的的等等待待时间，必必须提高系提高系统主存主存储器的响

32、器的响应速度速度为此此使使用用了了高高速速缓存存，用用来来存存储CPUCPU常常用用的的代代码和数据信息和数据信息 在在主主存存和和CPUCPU通通用用寄寄存存器器之之间设置置一一个个高高速速的的容容量量相相对较小小的的存存储器器，把把正正在在执行行的的指指令令地地址址附附近近的的一一部部分分指指令令或或数数据据从从主主存存调入入这个个存存储器器，供供CPUCPU在在一一段段时间内内使使用用。这对提提高高运运行行速速度有很大的作用。度有很大的作用。05:2905:29高速高速缓冲空冲空间与主存空与主存空间在一定范在一定范围内保持适当比内保持适当比例的映射关系，一般例的映射关系，一般规定高速定高

33、速缓冲与内存的空冲与内存的空间比比为4 4：10001000，即，即128kB128kB高速高速缓冲可映射冲可映射32MB32MB内存，内存，256kB256kB高速高速缓冲可映射冲可映射64MB64MB内存。内存。缓冲技冲技术与虚与虚拟设备技技术的区的区别：目的不同目的不同 前前者者解解决决速速度度匹匹配配问题，后后者者将将独独占占设备转化化为共享共享设备。存存贮空空间不同不同 前者使用内存，后者使用外存。前者使用内存，后者使用外存。05:2905:295.4.55.4.5总线技技术新一代新一代计算机出算机出现，带来了来了总线技技术的更新。的更新。1.1.总线的基本概念的基本概念 在在计算算

34、机机系系统内内各各种种子子系系统，如如CPUCPU、内内存存、I/OI/O设备等等之之间，构构建建公公用用的的信信号号或或数数据据传输通道，通道，这种可共享种可共享连接的接的传输通道称通道称为总线。05:2905:29总线的分类总线的分类CPU-内存总线内存总线I/O总线总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线（非本课程范围）（非本课程范围）2.2.总线的分的分类05:2905:29微型微型计算机算机总线的种的种类和和发展展PCXT总线ISA总线MCA总线EISA总线VESA总线 PCI总线USB总线总线.(过时过时)1394总线总线SCSI总线总线05:2905:29 3.USB

35、3.USB技技术USB（Universal Serial Bus）通用串行）通用串行总线，是，是一种一种连接接I/O串行串行设备的技的技术标准。准。冲破了冲破了计算机技算机技术发展的两个展的两个历史局限性：史局限性：（1）由由于于I/O设备的的接接口口标准准的的不不一一致致和和有有限限的接口数量已无法的接口数量已无法满足各种足各种应用迫切需要；用迫切需要；（2）传统的的I/O设备的的接接口口无无法法满足足实时数数据据传输与多媒体与多媒体应用的需求。用的需求。USB以以WDM（Windows Driver Model）模模型型为基基础，WDM包包含含一一套套通通用用的的I/O服服务和和二二进制兼

36、容的制兼容的设备驱动程序。程序。05:2905:29USB支支持持同同步步数数据据传输方方式式和和异异步步数数据据传输方方式式，其其数数据据传输率率有有低低速速15Mbps和和全全速速12Mbps两两种种，比比标准准串串口口快快100倍，比倍，比标准并口快准并口快10倍倍USB可可以以主主动为外外部部设备提提供供电源源，允允许外外部部设备快快速速连接接，具具有有即即插插即即用用的的功能功能允允许外部外部设备的的热插拔插拔4.SCSI4.SCSI接口技接口技术 SCSISCSI（SmallComputerSystemInterfaceSmallComputerSystemInterface）即小

37、）即小型型计算机系算机系统接口。接口。05:2905:29SCSISCSI系系统结构构05:2905:295.4.65.4.6即插即用技即插即用技术(PlugandPlay(PlugandPlay）计算机系算机系统I/OI/O设备与部件配置的与部件配置的应用技用技术。不需要。不需要进行任何行任何设置操作。置操作。PnPPnP技技术的的产生生 由由于于一一个个系系统可可以以配配置置多多种种外外部部设备，设备也也经常常变动和和更更换，它它们都都要要占占有有一一定定的的系系统资源源，彼彼此此间在在硬硬件件和和软件件上上可可能能会会产生生冲冲突突。因因此此在在系系统中中要要正正确确地地对它它们进行行配

38、配置置和和资源源匹匹配配；当当设备撤撤除除、添添置置和和进行行系系统升升级时，配配置置过程程往往往是一个困往是一个困难的的过程。程。05:2905:29PnPPnP技技术的特点：的特点：（1 1）支支持持I/OI/O设备及及部部件件的的自自动配配置置，使使用用户能能够简单方便地使用系方便地使用系统扩充充设备；（2 2）减减少少由由制制造造商商装装入入的的种种种种用用户支支持持和和限限制制，简化化部部件件的的硬硬件件跳跳接接设置置，使使I/OI/O附附加加卡卡和和部部件件不不再具有人工跳接再具有人工跳接线设置置电路；路；（3 3）在在主主机机板板和和附附加加卡卡上上保保存存系系统资源源的的配配置

39、置参参数数和和分分配配状状态，有有利利于于系系统对整整个个I/OI/O资源源的的分分配配和控制；和控制；（4 4）支支持持和和兼兼容容各各种种操操作作系系统平平台台，具具有有很很强的的扩展性和可移植性；展性和可移植性；（5 5）在在一一定定程程度度上上具具有有“热插插入入”、“热拼拼接接”技技术。05:2905:295.55.5设备处理理5.5.15.5.1设备分配与回收分配与回收 当当某某进程程向向系系统提提出出I/OI/O请求求时，设备分分配配程程序序按按一一定定策策略略分分配配设备、控控制制器器和和通通道道，形形成成一一条条数数据据传输通通路路，以以供供主主机机和和设备间信息交信息交换。

40、设备独独立立性性：即即不不能能因因为设备的的忙忙碌碌、故故障障或或更更换而而影影响响程程序序的的运运行行,向向用用户屏屏蔽蔽物物理理设备,呈呈现给用用户的的一一个个操操作作简单的的逻辑设备。05:2905:291.1.数据数据结构：构：设备控制表控制表DCTDCT 主主要要内内容容：设备类型型、设备标识符符、设备状状态、指指向向控控制制器器表表指指针、重重复复执行行的的次次数数或或时间、等等待待队列列的的队首首指指针、I/OI/O程序地址等。程序地址等。DCT1DCT2DCTn设备类型型设备标识符符设备状状态指向控制器表的指指向控制器表的指针重复重复执行次数或行次数或时间设备队列的列的队首指首

41、指针设设备备控控制制器器表表集集合合05:2905:29 系系统设备表表SDTSDT 整整个个系系统一一张表表，记录系系统中中所所有有I/OI/O设备的的信信息息，表表目目包包括括：设备类型型、设备标识符、符、进程程标识符、符、DCTDCT表指表指针等。等。表目表目1 表目表目i 设备类型型设备标识符符进程程标识符符DCT驱动程序入口程序入口 05:2905:29 此此外外还有有控控制制器器控控制制表表COCTCOCT和和通通道道控控制制表表CHCTCHCT，数据，数据结构构见书P162P162。根根据据用用户请求求的的I/OI/O设备的的逻辑名名，查找找逻辑设备和和物物理理设备的的映映射射表

42、表；以以物物理理设备为索索引引，查找找SDTSDT，找找到到该设备所所连接接的的DCTDCT；继续查找找与与该设备连接接的的COCTCOCT和和CHCTCHCT，就找到了一条通路。，就找到了一条通路。05:2905:292.2.设备分配策略分配策略 由由于于在在多多道道程程序序系系统中中，进程程数数多多于于资源源数数，引引起起资源源的的竞争争。因因此此，要要有有一一套套合合理的分配原理的分配原则。考考虑的因素：的因素：*I/O*I/O设备的固有属性的固有属性*I/O*I/O设备的分配算法的分配算法*设备分配的安全性分配的安全性*与与设备的无关性的无关性05:2905:291)1)独占独占设备的

43、分配的分配 静静态分分配配在在进程程运运行行前前,完完成成设备分分配；运行配；运行结束束时，收回，收回设备。优点：点：实现简单，不会死，不会死锁。缺点：缺点：设备利用率低。利用率低。动态分分配配在在进程程运运行行过程程中中，当当用用户提提出出设备要要求求时，进行行分分配配，一一旦旦停停止止使使用立即收回。用立即收回。优点：效率点：效率缺点：分配策略不好缺点：分配策略不好时,产生死生死锁。05:2905:292)2)共享共享设备分配分配 在在作作业调度度时仅作作出出静静态决决定定，进程程执行行时，才才进行行动态分分配配，即即将将I/OI/O请求求形形成成I/OI/O请求求块并并按按一一定定的的原

44、原则加加入入到到设备等待等待队列。列。05:2905:295.5.25.5.2设备驱动程序程序 为了了控控制制I/OI/O传输，实现I/OI/O进程程与与设备控控制制器器之之间的的通通信信，系系统为每每类设备编制制设备驱动程序。程序。任任务主主要要负责接接收收和和分分析析从从设备分分配配转来来的的信信息息，并并根根据据设备分分配配的的结果果，结合合具具体物理体物理设备特性完成以下具体工作：特性完成以下具体工作：05:2905:29(1)(1)预置置设备的初始状的初始状态(2)(2)根根据据请求求传输的的数数据据量量，组织I/OI/O缓冲冲队列列，利利用用I/OI/O缓冲冲对数数据据进行行加加工

45、工，包包括数据格式括数据格式处理和理和编码转换(3)(3)构构造造I/OI/O程程序序（在在有有通通道道系系统中中，是是通通道程序）道程序）(4)(4)启启动设备进行行I/OI/O操作操作05:2905:29I/OI/O中断中断处理程序理程序 设备控控制制器器向向CPUCPU发送送一一个个中中断断请求求，CPUCPU响响应后后便便转向向中中断断处理理程程序序，处理理来来自自设备或通道的中断。或通道的中断。5.5.4I/O5.5.4I/O操作操作过程程请求求I/OI/O的的进程、程、I/OI/O过程（程（I/OI/O控制的接控制的接口程序）、口程序）、设备处理程序、中断理程序、中断处理程序。理程

46、序。I/OI/O进程。几者之程。几者之间关系如关系如图。05:2905:29标识设备；执行出错检查；构成iorb；加入请求队列；唤醒因等I/O请求块而睡眠的I/O进程；取iorb；如无iorb则等；启动I/O操作；/等I/O完成；执行出错检查；.唤醒等I/O的进程；I/O设备.中断服务；唤醒I/O进程；.doio(ldev,addr,)/等I/O完成.请求I/O的用户进程I/O过程I/O处理程序中断处理程序OS界面控制关系同步关系05:2905:29I/OI/O中断的进入中断的进入 当当I/OI/O中中断断发生生时，内内核核中中的的中中断断处理理程程序序发一一条条消消息息给I/OI/O进程程，

47、由由I/OI/O进程程负责判断并判断并处理中断理中断I/OI/O进程进程 是是系系统进程程，一一般般赋予予最最高高优先先级。一一旦旦被被唤醒醒，它它可可以以很很快快抢占占处理理机机投投入运行。入运行。05:2905:295.65.6典型外部典型外部设备 5.6.15.6.1磁磁盘5.6.25.6.2时钟5.6.35.6.3终端端5.6.45.6.4网网络I/OI/O设备05:2905:295.6.15.6.1磁磁盘 几几乎乎所所有有计算算机机都都使使用用磁磁盘来来存存储信信息息。从从存存储角角度度，与与内内存存比比较起起来来，磁磁盘有有三三个个主主要的要的优点：点：可用的存可用的存储容量非常大

48、容量非常大价格非常低价格非常低电源关掉后信息不会源关掉后信息不会丢失失05:2905:291.1.磁磁盘结构构磁磁盘包括一或多个包括一或多个盘片每片两面；片每片两面；每每面面分分成成若若干干条条磁磁道道（一一般般为50020005002000），磁磁道道间留有留有间歇；歇；每每条条磁磁道道又又被被分分成成许多多扇扇区区（一一般般为1010010100），扇扇区区间留留有有间歇歇；每每条条磁磁道道上上扇扇区区数数目目典典型型为8 8至至3232，每个扇区包含相同的字，每个扇区包含相同的字节数数实际的硬的硬盘都都组织成成许多柱面；多柱面；磁磁盘格式化，格式化，见P172P172图5-225-22。

49、05:2905:292.2.RAM盘RAM盘的的思思想想很很简单，它它使使用用预先先分分配配的的主主存存来来存存储数数据据块。RAM盘具具有有立立即即存存取取的的优点点（没没有有寻道道和和旋旋转延延迟），适适用用于于存存储需需要要频繁存取的程序和数据。繁存取的程序和数据。实现RAM盘的的思思想想：根根据据为RAM盘分分配配内内存存的的大大小小，RAM盘被被分分成成n块，每每块的的大大小小与与实际磁磁盘块的的大大小小相相同同。当当驱动程程序序接接收收到到一一条条读写写一一块的的消消息息时，它它只只计算算被被请求求的的块在在RAM盘存存储区区的的位位置置，并并读出出或或写写入入该块，而而不不对软盘

50、或硬或硬盘进行行读写。写。05:2905:295.6.2 时钟 时钟（clock），又称），又称为定定时器（器（timer）(1)时钟负责提供一天的提供一天的时间 (2)防止一个防止一个进程程垄断断CPU 05:2905:291.1.时钟硬件硬件两种两种类型：型：比比较简单的的时钟被被连到到110V或或220V的的电源源线上上，每每个个电压周周期期产生生一一个个中中断断，频率率是是50Hz或或60Hz。另另一一种种时钟由由三三个个部部件件构构成成：晶晶体体振振荡器器、计数器和存数器和存储寄存器寄存器 石石英英晶晶体体产生生的的精精确确的的周周期期信信号号，典典型型的的范范围是是5到到100MH