软件技术基础设备管理幻灯片.ppt
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1、软件技术基础设备管理第1页,共43页,编辑于2022年,星期三2.5.1 2.5.1 设备管理概述设备管理概述外部设备:外部设备:计算机系统中除了中央处理机和主计算机系统中除了中央处理机和主存储器外的其它设备称为外部设备。存储器外的其它设备称为外部设备。设备管理就是对外部设备进行统一的管理,向用设备管理就是对外部设备进行统一的管理,向用户提供简单而一致的方式访问各种户提供简单而一致的方式访问各种I/O设备。设备。第2页,共43页,编辑于2022年,星期三一、设备分类一、设备分类按工作特点:按工作特点:输入输出设备输入输出设备存储设存储设备备按资源分配方式:按资源分配方式:独占设备独占设备共享设
2、备共享设备虚拟设备虚拟设备按信息交换单位:按信息交换单位:字符设备字符设备块设备块设备第3页,共43页,编辑于2022年,星期三二、设备管理的任务与功能二、设备管理的任务与功能按照设备类型和系统分配策略进行设备分配与回收按照设备类型和系统分配策略进行设备分配与回收向用户提供统一的接口向用户提供统一的接口实现设备驱动实现设备驱动真正的真正的I/O操作操作缓冲区管理缓冲区管理实现虚拟设备管理实现虚拟设备管理方便用户使用设备方便用户使用设备1完成设备分配完成设备分配2完成真正的完成真正的I/O操作操作3实现实现CPU与与I/O设备间的速度匹配设备间的速度匹配4第4页,共43页,编辑于2022年,星期
3、三CPU存储器存储器高速高速I/O设备设备共享总线共享总线低速低速I/O设备设备设备控制器设备控制器微机微机I/OI/O系统的结构系统的结构第5页,共43页,编辑于2022年,星期三基于主存和通道的基于主存和通道的I/OI/O系统系统CPU主存主存通道通道通道通道通道通道通道通道某某某某I/O设备设备磁磁盘盘磁带磁带通信通信通信通信设备设备主存主存可同时进行可同时进行可同时进行可同时进行控制控制uu通道与通道与通道与通道与CPUCPU共享主存共享主存共享主存共享主存uu通道代替通道代替通道代替通道代替CPU完成与设备控制器的通信完成与设备控制器的通信完成与设备控制器的通信完成与设备控制器的通信
4、第6页,共43页,编辑于2022年,星期三1 1、什么是设备控制器、什么是设备控制器、什么是设备控制器、什么是设备控制器位于位于CPUCPU与设备之间,接收与设备之间,接收CPUCPU下达的输入、输出命令下达的输入、输出命令并控制具体设备实现操作。并控制具体设备实现操作。一个控制器可控制一个或多个一个控制器可控制一个或多个I/OI/O设备。设备。存在形式为各种接口卡。存在形式为各种接口卡。设备控制器设备控制器2 2、设备控制器功能、设备控制器功能、设备控制器功能、设备控制器功能接收和识别命令;数据暂存、缓冲;监测设备状态。接收和识别命令;数据暂存、缓冲;监测设备状态。数据接口、控制接口、状态接
5、口数据接口、控制接口、状态接口3 3、设备控制器与设备的接口、设备控制器与设备的接口、设备控制器与设备的接口、设备控制器与设备的接口第7页,共43页,编辑于2022年,星期三4 4、设备控制器组成、设备控制器组成控制器与控制器与控制器与控制器与CPUCPU的接口单元的接口单元的接口单元的接口单元控制器与设备接口单元控制器与设备接口单元控制器与设备接口单元控制器与设备接口单元I/OI/O逻辑单元逻辑单元逻辑单元逻辑单元数据线数据线数据寄存器数据寄存器地址线地址线I/O逻辑逻辑控制线控制线数据信号数据信号控制信号控制信号状态信号状态信号数据信号数据信号控制信号控制信号状态信号状态信号控制器与控制器
6、与设备接口设备接口控制器与控制器与设备接口设备接口第8页,共43页,编辑于2022年,星期三2.5.2 2.5.2 数据传送控制方式数据传送控制方式设备管理的主要任务就是控制设备与设备管理的主要任务就是控制设备与CPU间的数间的数据传递,主要有以下数传控制方式:据传递,主要有以下数传控制方式:中断控制方式中断控制方式2直接内存访问(直接内存访问(DMA)方式)方式3通道(通道(ChannelChannel)方式)方式4程序查询方式程序查询方式1第9页,共43页,编辑于2022年,星期三一、程序查询方式一、程序查询方式由程序循环查询外部设备的状态,在外设进行数据处理由程序循环查询外部设备的状态,
7、在外设进行数据处理时时CPU只能等待。只能等待。开始接收开始接收数据数据有数据有数据接收?接收?否否是是忙等忙等接收接收开始发送开始发送数据数据设备空闲?设备空闲?否否是是忙等忙等发送发送第10页,共43页,编辑于2022年,星期三二、中断控制方式二、中断控制方式外部设备与外部设备与CPU之间传递数据通过专门的中断请求信号之间传递数据通过专门的中断请求信号来进行。来进行。I/O操作由程序发起,在操作完成时(如数据操作由程序发起,在操作完成时(如数据可读或已经写入)由外设向可读或已经写入)由外设向CPU发出中断,发出中断,CPU完成数完成数据的读写。据的读写。要求:要求:专门的中断请求线、专门的
8、中断标志位专门的中断请求线、专门的中断标志位优点:优点:在外设进行数据处理时,在外设进行数据处理时,CPU不必等待不必等待实实现了让权等待。现了让权等待。缺点:缺点:CPU每次处理的数据量少(通常以字节为单位),每次处理的数据量少(通常以字节为单位),适于数据传输率较低的设备。适于数据传输率较低的设备。第11页,共43页,编辑于2022年,星期三进程利用中断实现输入、输出流程:进程利用中断实现输入、输出流程:初始化初始化阻塞等待输入阻塞等待输入控制设备控制设备完成输入完成输入根据中断类型唤醒等待进程根据中断类型唤醒等待进程设备产生输入中断设备产生输入中断输入向设备输出数据向设备输出数据阻塞等待
9、输出完成阻塞等待输出完成根据中断唤醒等待进程根据中断唤醒等待进程设备产生输出中断设备产生输出中断输出第12页,共43页,编辑于2022年,星期三三、直接内存访问方式三、直接内存访问方式(DMA)(DMA)引入思想:减少引入思想:减少CPU在数据传递过程中的干预,在数据传递过程中的干预,DMA控控制器完成内存与外设的成批数据交换。制器完成内存与外设的成批数据交换。优点:优点:CPU只需干预只需干预I/O操作的开始和结束,而其中的操作的开始和结束,而其中的一批数据读写无需一批数据读写无需CPU控制,适于高速设备。控制,适于高速设备。第13页,共43页,编辑于2022年,星期三1.1.由程序设置由程
10、序设置DMADMA控制器中的若干寄存器值(如内存始址,控制器中的若干寄存器值(如内存始址,传送字节数),然后发起传送字节数),然后发起I/OI/O操作;操作;2.2.数据直接在数据直接在DMADMA控制器控制下通过总线传递到内存中;控制器控制下通过总线传递到内存中;3.3.在完成指定量的数据接收后,在完成指定量的数据接收后,DMADMA控制器才向控制器才向CPUCPU产生中断;产生中断;4.4.通过中断处理程序唤醒等待数据的进程;通过中断处理程序唤醒等待数据的进程;5.5.等待数据的进程经过调度处理输入的数据。等待数据的进程经过调度处理输入的数据。DMA过程:过程:不再每个字符传递后发中断,实
11、现了块传递再不再每个字符传递后发中断,实现了块传递再中断,减少了中断,减少了CPUCPU的占用时间的占用时间第14页,共43页,编辑于2022年,星期三中断控制方式与中断控制方式与DMA方式方式CPU总线总线I/OI/O设备设备设备设备内存内存内存内存中断中断CPUI/O设备设备内存内存DMADMA中断:通知中断:通知中断:通知中断:通知已传输完毕已传输完毕已传输完毕已传输完毕第15页,共43页,编辑于2022年,星期三四、通道方式四、通道方式通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程通道:通道:通道是一种特殊的处理机,具有执行通道是一种特殊的处理机,
12、具有执行I/OI/O指令的能力,指令的能力,通过执行通道程序来控制通过执行通道程序来控制I/OI/O操作。操作。1、通道程序有自己的指令系统,是一个相对完整的过程。、通道程序有自己的指令系统,是一个相对完整的过程。CPU只需向只需向通道发出一条指令,通道便从内存中取出本次执行的通道程序并通道发出一条指令,通道便从内存中取出本次执行的通道程序并执行。执行。2、通道之间可以并行执行,进一步减少了、通道之间可以并行执行,进一步减少了CPU对输入输出过程的干对输入输出过程的干预。提高预。提高CPU与设备之间的并行性,提高资源利用率。与设备之间的并行性,提高资源利用率。3、主机具有一个或多个通道,一个通
13、道可管理一个或多个设备、主机具有一个或多个通道,一个通道可管理一个或多个设备控制器;通道和控制器;通道和CPU共享一个主存共享一个主存特点:特点:第16页,共43页,编辑于2022年,星期三通道通道通道通道设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备设备通道通道通道通道设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备设备设备设备设备主存主存主存主存CPUCPU通道通道设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器设备设备设备设备通道通道设备设备多通路系统多通路系统第17页,共43页,编辑于2022年,星期三2.5.3 2.5.3 缓冲技术缓冲技术作用:
14、作用:解决解决CPUCPU与与I/OI/O设备速度匹配问题设备速度匹配问题速度速度1速度速度2基本思想:基本思想:在内存中开辟一定的专在内存中开辟一定的专用区域,作为用区域,作为CPUCPU和和I/OI/O设备设备之间进行信息交流的工作之间进行信息交流的工作区区缓冲区第18页,共43页,编辑于2022年,星期三缓冲区的组织缓冲区的组织专用缓冲区:专用缓冲区:为某台设备专门设置的,单独使用的缓冲区为某台设备专门设置的,单独使用的缓冲区公用缓冲区:公用缓冲区:为多台或者全部设备设置的,共享的缓冲区为多台或者全部设备设置的,共享的缓冲区按使用方式划分:按使用方式划分:按数量划分:按数量划分:单缓冲区
15、单缓冲区双缓冲区双缓冲区多缓冲区多缓冲区 循环缓冲循环缓冲缓冲池:缓冲池:由多个大小相等的缓冲区连接起来构成缓冲池由多个大小相等的缓冲区连接起来构成缓冲池第19页,共43页,编辑于2022年,星期三1.1.单缓冲区单缓冲区在在CPUCPU和设备之间设置一个缓冲区和设备之间设置一个缓冲区速度速度1速度速度2注意:注意:1.单缓冲区是临界资源,读写单缓冲区是临界资源,读写必须互斥访问。必须互斥访问。2.单缓冲区只能实现匹配速度,单缓冲区只能实现匹配速度,不能实现并行操作。不能实现并行操作。第20页,共43页,编辑于2022年,星期三2.2.双缓冲区双缓冲区在在CPUCPU和设备之间设置两个缓冲区和
16、设备之间设置两个缓冲区设备设备1设备设备2CPU提高了提高了CPU与设与设备之间的并行度备之间的并行度第21页,共43页,编辑于2022年,星期三多个缓冲区循环使用,类似循环队列多个缓冲区循环使用,类似循环队列next_innext_outCPU设备输入设备输入3.3.循环缓冲循环缓冲第22页,共43页,编辑于2022年,星期三4.4.缓冲池缓冲池可供多个对象共享的公用缓冲区组成的缓冲池可供多个对象共享的公用缓冲区组成的缓冲池缓冲区缓冲区 1缓冲区缓冲区 2缓冲区缓冲区 3缓冲区缓冲区 4缓冲区缓冲区 1缓缓冲冲区区缓缓 冲冲 体体缓缓冲冲区区首首部部设备号设备号缓冲区号缓冲区号缓冲区地址缓冲
17、区地址状态状态数据块号数据块号互斥标识位互斥标识位设备缓冲设备缓冲队列指针队列指针数数 据据缓冲池中的缓冲区根据使用情况缓冲池中的缓冲区根据使用情况划分为划分为3 3种队列:种队列:inqinq:满输入缓冲区队列:满输入缓冲区队列outqoutq:满输出缓冲区队列:满输出缓冲区队列emptyqemptyq:空缓冲区队列:空缓冲区队列从设备输入的数据缓冲区队列从设备输入的数据缓冲区队列准备向设备输出的数据缓冲区队列准备向设备输出的数据缓冲区队列第23页,共43页,编辑于2022年,星期三缓冲池操作(四种操作)缓冲池操作(四种操作)设备输入数据到缓冲池设备输入数据到缓冲池get empty buf
18、fer;fill data in buffer;put buffer in inq;收容输入收容输入用户从缓冲池读入数据用户从缓冲池读入数据get buffer from inq;calculet data in buffer;put buffer back to emptyq提取输入提取输入用户向数据缓冲池输出数据用户向数据缓冲池输出数据get buffer from outq;Send data;put buffer in emptyq;收容输出收容输出设备从缓冲池中读出输出数据设备从缓冲池中读出输出数据并完成输出并完成输出get buffer from emptyq;fill data
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