操作系统原理 第5章 设备管理.ppt
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
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