[精选]计算机设备管理相关资料15163.pptx
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1、第六章 设备管理 I/O接口接口 磁盘管理磁盘管理 I/O控制方式控制方式 缓冲管理缓冲管理 系统总线系统总线6.1 系统总线6.1.1 总线基本概念和分类1.没有总线的计算机系统两两部件独立相连,相互通信时双方必须停止其他工作,降低了部件的工作效率;随着计算机部件的增多,内部连线非常复杂,不利于系统设备的扩展。2.总线概念总线是计算机中各个通信模块共享的,用来在这些部件之间传送信息的一组导线和相关的控制和接口部件。6.1.2 总线分类vCPU内部总线:寄存器之间,寄存器与ALU之间。v系统总线:CPU与主存或I/O设备之间的信息传送线,又称为外总线。v通信总线:计算机系统之间或计算机系统与外
2、部设备之间的信息传送线。6.1.3 系统总线的组成1.地址总线传送主存单元地址或者I/O设备的端口地址。2.数据总线完成总线上各功能部件之间的数据传送。3.控制总线传送定时信号和命令信息,以实现对设备的控制和监视。4.系统总线由多个部件或设备共享,但任何时刻都只能由一个设备向总线发送信息,所以对总线的使用需要协调。6.1.4 系统总线的结构1.单总线结构 任何两个部件之间可以直接进行信息交流,提高了计算机的灵活性和工作效率,但由于总线是临界资源,单总线会增加总线负载,影响操作速度。CPU主存主存I/O接口接口I/O接口接口外设外设1外设外设n系统总线2.双总线结构 CPU和主存之间的数据交换通
3、过专用总线进行,减轻了系统总线的负担。CPU主存主存I/O接口接口 I/O接口接口外设外设1外设外设n系统总线存储总线3.三总线结构CPU主存主存I/O接口接口I/O接口接口外设外设1外设外设n通道通道系统总线存储总线I/O总线 通道又称为I/O处理机,统一管理外部设备,实现主存与外设之间的数据传输,分担了CPU的部分功能。6.1.5 总线的数据传输方式v串行传输:每次传送一位,只需一根数据线。适用于慢速设备,如键盘、鼠标等。v并行传输:每位数据需要一根数据线,多位数据一起传输。v注意:总线和设备接口之间总是以并行方式传送数据,但设备和接口之间可能以并行方式,也可能以串行方式。6.2 I/O接
4、口1.I/O接口 计算机与I/O设备或其他系统之间的逻辑控制部件。接接口口控控制制器器I/O标标准准接接口口设设备备控控制制器器I/O设设备备外围设备与主机的连接外围设备与主机的连接设备地址线设备地址线控制、状态线控制、状态线数据线数据线CPU2.I/O接口的基本功能v实现主机与外围设备间的通信和控制;设备的选择,操作时序的协调,中断请求与批准v实现数据缓冲,使主机与外设的工作速度匹配;在设备控制器中设置一个或多个数据缓冲寄存器v接收主机的命令,提供设备和接口的状态。在设备控制器中设置控制/状态寄存器6.3 I/O 设备管理概述 I/O管理的功能管理的功能l监视设备的状态监视设备的状态l进行设
5、备分配进行设备分配l完成完成I/O操作操作l缓冲管理缓冲管理总线型I/O系统结构6.3.1 I/O设备类型块设备:磁盘、磁带,块大小512B32KB,通常为512B。块设备的特点是速度快、可随机访问。字符设备:键盘、行式打印机。特点是速度低、不可寻址、I/O采用中断驱动。设备间的差异v数据率v管理程序v控制的复杂度v数据的传送单位v数据编码v出错条件6.3.2 设备控制器 设备控制器或适配器设备控制器或适配器是I/O设备的电子部分,它是CPU与I/O设备之间的接口,它接收从CPU发来的命令,并控制I/O设备工作。通常一台控制器可控制多台同一类型的设备。设备控制器的组成v设备控制器的主要任务1)
6、接收和识别命令2)数据交换3)了解设备的状态4)地址识别6.3.3 设备通道l虽然设备控制器可以对设备进行控制,但当外设很多时,CPU负担过重,为此在CPU与控制器之间增加设备通道设备通道,实现对所有外设的统一管理。l设备通道是特殊的处理机设备通道是特殊的处理机l指令单一l没有内存通道的连接方式l单通路单通路l多通路多通路设备与计算机之间有多条通道,增加灵活性。增强可靠性。某通道、控制器坏,也不会影响数据交换。6.4 I/O控制方式 发展经历了四个阶段l程序直接控制方式程序直接控制方式l中断驱动方式中断驱动方式lDMADMA控制方式控制方式l通道方式通道方式宗旨:尽量减少主机对I/O控制的干预
7、。衡量数据传送控制方式原则v数据传送速度高v系统开销小v充分发挥硬件资源的能力,I/O设备忙,CPU等待时间少6.4.1 程序直接控制方式 由用户由用户进程直接进程直接控制控制CPUCPU与外设之与外设之间的信息间的信息传送。传送。程序直接控制方式的缺点:lCPU与外设只能串行工作。lCPU在一段时间内只能与一台外设交换数据信息。l无法发现和处理由于设备和其它硬件所产生的错误。6.4.2 中断驱动方式 为为了了减减少少程程序序直直接接控控制制方方式式中中CPUCPU的的等等待待时时间间,提提高高系系统统并并行行工工作作的的程程度度。要要求求CPUCPU与与设设备备控控制制器器间间有有相相应应的
8、的中中断断请请求求线。线。中断驱动方式的缺点:l由于数据寄存器只能存放一个字节,造成中断次数过多。l 中断次数的急剧增加会造成CPU无法及时响应中断,出现数据丢失现象。6.4.3 DMA控制方式 中断方式比程序I/O方式有效,但它是以字节为单位进行的,且CPU对I/O的干预频繁。1.DMA方式的特点u数据传输的基本单位是数据块;u所传送的数据是直接在设备和内存之间进行;u仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时,才需CPU干预。DMA控制器的组成增加两类寄存器:l内存地址寄存器MARl数据计数器DDMA工作过程当CPU需要从磁盘读数据时,便向磁盘控制器DMA发命令 该命令送命令寄存器CR 将内存
9、地址送内存地址寄存器MAR 本次要读的字节数送数据寄存器DC启动DMA后,CPU干其他的事情,数据传送在DMA的控制下完成。6.4.4 通道方式 DMA方式中cpu以数据块为单位干预I/O操作,但进程需要连续操作几个不连续的数据块时,CPU仍需多次干预。1.通道方式特点l每条CPU发出的I/O指令可以实现对一组数据块的干预;l实现CPU、通道和设备的并行工作,提高资源利用率。2.通道方式处理过程v通道方式通过通道处理程序,与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。其步骤如下:1)CPU发出指令;2)通道取出内存中的通道处理程序执行;3)设备根据通道指令的要求,执行相应操作;4)通道程序执行结束,
10、向CPU发出中断请求;5)CPU进行中断处理。6.5 I/O系统v用户进程进行I/O操作的步骤用户进程调用操作系统提供的系统调用命令;操作系统负责给用户进程分配设备、启动相关设备进行I/O操作;在I/O操作完成时,用户进程产生中断;系统响应中断,并进行相应的中断处理。6.5.1 I/O层次结构6.5.1 I/O层次结构vI/O接口:系统调用,例如C语言中的库函数printf,scanf;vI/O管理软件:实现所有设备共享的I/O功能,为用户提供统一接口;v设备驱动程序:接收I/O管理软件的抽象请求,进行与设备相关的具体设备操作,控制设备的打开,关闭,读,写等操作,控制数据在设备上的传输;v中断
11、处理程序:当输入就绪、输出完成或设备出错时,设备控制器向CPU发中断信号,CPU进行相应中断处理6.5.2 6.5.2 设备分配设备分配 v由于外设资源的有限,需解决进程间的外设共享问题,以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法:1)在进程间切换使用外设,如键盘和鼠标;2)通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开,只由虚拟设备来使用设备。一、设备分配时应考虑的问题 设备分配的综合原则是合理使用外设(公平和避免死锁),提高设备使用率。1.设备的固有属性独享设备:打印机等。进程使用完自己释放,一般不能剥夺;共享设备:磁盘、网卡等。多个进程并发使用,需合理调度;虚拟设备
12、:虚拟打印机等。可有多个进程使用,但FCFS。2.设备分配算法静态分配:在进程创建时分配,在进程退出时释放;v不会出现死锁;v设备利用率不高;动态分配:在进程执行过程中根据需要分配,使用结束后释放,算法与进程调度类似,有FCFS 和基于优先级;v需要考虑死锁问题v有利于提高设备利用率3.设备分配中的安全性(避免死锁)v安全分配方式 进程发出I/O请求后阻塞,完成后唤醒,即进程在I/O时不能在申请其他设备资源,摈弃了“请求保持”条件。优点:不会出现死锁;缺点:进程进展慢。v不安全分配方式 进程发出I/O请求后仍继续运行,又可发出I/O请求,仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时,进程才进入阻塞状
13、态。优点:多个设备并行操作;缺点:可能造成死锁。4.设备独立性(设备无关性)v设备独立性是指用户程序独立于具体使用的物理设备,可以提高操作系统的可适应性和可扩展性。v用户程序使用逻辑设备名请求使用某类设备。v操作系统在分配设备时使用的是物理设备名。v操作系统可以将逻辑设备名转换成物理设备名。v设备独立性增强了设备分配的灵活性,易于实现I/O重定向。设备独立性的实现逻辑设备表(Logical Unit Table,LUT)当进程使用逻辑设备名请求I/O设备时,系统为他分配相应的物理设备,并在LUT中建立对相应表项,以便以后使用。LUT的设置:l整个系统一张(单用户系统)l一个用户一张(多用户系统
14、)二、设备分配中的数据结构二、设备分配中的数据结构 1.系统设备表(SDT,System Device Table)v整个系统内只有一张,反映系统中设备资源的状态,记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。SDT表项的主要组成:DCT指针:指向相应设备的DCT;设备标识;设备类型:块设备,字符设备或终端设备;正在使用该设备的进程号。2.设备控制表(DCT,Device Control Table)v每个设备一张,描述设备特性和状态。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。DCT的内容主要包括:设备标识:用来区别不同的设备;设备类型COCT指针:指向与该设备相连的控制器控制表;设备状态:工作或空闲
15、状态;设备等待队列首指针和尾指针;3 3.控制器控制表(COCT,COntroller Control Table)v每个设备控制器一张,描述I/O控制器的配置和状态。表项组成:控制器标识符控制器忙/闲状态与控制器连接的通道表指针(CHCT指针)控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针4.4.通通道控制表(CHCT,CHannel Control Table)v每个通道一张,描述通道工作状态。通道标识符通道忙/闲状态通道队列的队首指针通道队列的队尾指针三、设备分配步骤三、设备分配步骤 在进程有I/O请求时,系统根据具体的设备分配算法,按以下步骤分配设备:1)分配设备 逻辑设备名查找LUT,确定
16、物理设备名查找SDT,找到该设备的设备控制表(DCT)根据DCT中的忙/闲标志位判断设备是否忙忙,则进入阻塞队列;否则,计算分配安全性,安全则分配。2)分配控制器 根据DCT中的控制器控制表(COCT)指针找到与该设备相连的COCT,并判断其忙闲状态,忙则进入阻塞队列,否则分配控制器。3)分配通道根据COCT中的CHCT(通道控制表)指针找到CHCT,并判断其忙闲状态,忙则进入阻塞队列,否则分配通道。设备分配中应注意的问题:1)逻辑设备名可能有多个物理设备名与之相对应,在分配设备时需要扫描LUT和SDT,直到遇到第一个空闲的可分配设备为止;只有当所有设备都忙时才阻塞进程;2)对于通道、控制器和
17、设备的多通路连接情况,再分配控制器和通道时也需要多次检测COCT和CHCT6.5.4 SPOOLing技术 vSPOOLing(Simultaneous Peripheral Operation On Line)技术,又称为假脱机技术或虚拟设备技术,它可以把独享设备转变成具有共享特征的虚拟设备,从而提高设备利用率。vSPOOLing技术的引入为缓解CPU和I/O设备速度不匹配问题,用专门的应用程序模仿外围计算机在设备和磁盘间或CPU与磁盘间进行输入和输出操作,从而使得I/O设备可以和CPU并行运行,提高部件的利用率。1.SPOOLing1.SPOOLing的系统组成:的系统组成:输入井和输出井
18、输入缓冲区和输出缓冲区输入进程SPi和输出进程SPo2.SPOOLing系统的特点v优点:提高了I/O速度:将原先对低速I/O设备的直接操作转换成对高速磁盘的I/O操作,使得程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来,从而缓解了CPU和I/O设备的速度不匹配问题。实现对独享设备的共享:由SPOOLing程序提供虚拟设备,可以对独享设备依次共享使用。3.共享打印机打印机是一个独享设备,但它可以通过SPOOLing技术虚拟成共享设备。当用户提出打印请求时,SPOOLing系统为之做两件事:1)在输出井中申请一空闲盘快区,并将要打印的数据输入其中;2)申请一张空白的用户请求打印表,将打印内
19、容输入其中,再将该表投入请求打印队列,排队等待打印机;SPOOLing系统可以让多个用户同时感觉打印机在为他服务,从而将一个物理设备虚拟成多个逻辑设备,实现设备的共享 6.5.5 设备驱动程序 v设备处理程序又称为设备驱动程序,它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。v主要功能接受来自上层软件的抽象I/O请求,并检查请求的合法性;向有关I/O设备发出控制命令,并启动运行对等待I/O的进程进行排队;及时响应中断请求v设备驱动程序的设置方式为每类设备设置一个进程,专门用于执行该类设备的I/O操作。为整个系统设置一个I/O进程,负责执行系统中各类设备的I/O操作;也可设置一个输入进程和一个输出进程
20、;不设处理进程,为各类设备设置相应的设备处理程序,供用户或系统进程调用。v设备驱动程序的特点对I/O管理软件屏蔽I/O设备细节,实现I/O管理软件的设备无关性;设备驱动程序与硬件紧密相关,是OS底层中和I/O设备相关的一部分;驱动程序的大部分一般用汇编语言书写;设备驱动程序与I/O控制方式相关;设备驱动程序可以动态加载。v设备驱动程序的处理过程 设备处理程序的主要任务是启动指定设备,其处理过程如下:将抽象要求转化为具体要求。检查I/O请求的合法性读出和检查设备的状态传送参数设置工作方式启动I/O设备6.5.6 中断1.中断概念v中断是指在计算机运行期间,CPU暂停当前进程而转去处理其他应用程序
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