chapter5_设备管理剖析

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1、第四章 总结,单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 基本分页分配 基本分段分配 段页式分配 基于请求分页的虚拟存储器原理 缺页中断原理 页面装入方式 页面淘汰方式,2009年考研应用题,46、请求分页管理系统中，假设某进程的页表内容如下表所示：,页面大小为4KB，一次内存的访问时间是100ns，一次快表（TLB）的访问时间是10 ns，处理一次缺页的平均时间为108ns(已含更新TLB和页表的时间)，进程的驻留集大小固定为2，采用最近最少使用置换算法（LRU）和局部淘汰策略。假设TLB初始为空；地址转换时先访问TLB，若TLB未命中，再访问页表（忽略访问页表之后的TLB更新时间）；有效位为

2、0表示页面不在内存，产生缺页中断，缺页中断处理后，返回到产生缺页中断的指令处重新执行。设有虚地址访问序列2362H、1565H、25A5H，请间： （1）依次访问上述三个虚地址，各需多少时间？给出计算过程。 （2）基于上述访问序列，虚地址1565H的物理地址是多少？请说明理由。,分析：（6/8）,2362H,1565H,25A5H,(1)答案： （7/8）,2362H的访问时间=10ns（访问TLB）+100ns（访问页表）+100ns（访问内存单元）=210ns 1565H的访问时间=10ns（访问TLB）+100ns（访问页表）+100000000ns（调页）+ 10ns（访问TLB）+1

3、00ns（访问内存单元）=100000220ns 25A5H的访问时间=10ns（访问TLB）+100ns（访问内存单元）=110ns,(2)答案： （8/8）,1565H的物理地址是：101565H；因为2号页面刚被访问，不会被置换，因此用101页框。,第5章 设备管理,设备管理概述：设备管理是操作系统对计算机系统中除CPU和内存之外的外部设备进行管理、以及对数据传输进行控制的模块，是操作系统资源管理中最复杂、最多样化的部分。 操作系统设备管理中，提高设备利用率的关键是实现设备的并行操作。一方面，诸设备要与CPU并行，另一方面，诸设备间也要并行。操作系统的设备管理模块要在硬件提供的通道和中断

4、机制、以及设备提供的物理性能的支持下，实现多任务、多进程共享多种外部设备，高效地完成数据传输工作。,设备管理,5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 I/O软件原理 5.4 缓冲管理 5.5 设备分配 5.6 磁盘存储器管理 5.7 *UNIX系统中的设备管理,本章作业,5.1 I/O 系统,5.1.1 I/O设备 5.1.2 设备控制器 5.1.3 I/O通道 5.1.4 I/O系统的结构,返回,I/O 系统：用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。,5.1.1 I/O 设备,1、 I/O设备的类型 1）按设备的从属关系分类 系统设备：指操作系统生成时即安装操作系统时，就纳入系统

5、管理范围的各种标准设备。 如键盘、显示器、打印机等。 用户设备：它是指系统设备之外的非标准设备，在安装操作系统时没有配置，而由用户自己安装配置的设备。如绘图仪、扫描仪等。,2）按信息交换的单位分类 块设备：信息交换的基本单位为字符块，属于有结构设备，块大小一般为512B-4KB，典型的有：磁盘、磁带等。 字符设备：信息交换的基本单位为字符，典型的有：键盘、打印机和显示器等。,5.1.1 I/O 设备,3）按使用方式/共享属性分类 独享/独占设备：这类设备一旦分配给某个实体（用户、作业、任务或进程）使用，在没被释放前，其它实体不得使用。多数低速设备属于此类，打印机就典型的独享设备。 共享设备：在

6、一段时间允许多个用户进程同时访问的设备。磁盘就典型的共享设备。 虚拟设备：通过一定的辅助存储器和控制程序，可将一享设备模拟为共享设备，这个具有了新特性的设备就称为虚拟设备。,5.1.1 I/O 设备,包括所有的字符型设备和磁带机,包括除磁带机以外的所有块型设备,4）按传输速率分类 低速设备：传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的设备。典型的有：键盘、鼠标、语音的输入/输出等。 中速设备：传输速率仅为每秒钟数千个字节至数数万个字节的设备。典型的有：打印机等。 高速设备：传输速率仅为每秒钟数千个字节至数十兆字节的设备。典型的有：磁盘机、磁带机、光盘机等。,5.1.1 I/O 设备,返回,5.1.

7、2 设备控制器,传统的设备 = 机械部分+电子部分 电子部分在系统的控制下驱动机械部分运转，完成I/O操作 由于设备中电子部分比机械部分的速度快得多，为了降低硬件成本，将电子部分从设备中分离出来作为一个独立的部件，这就是控制器。在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中。 分离之后的设备仅由机械部分构成，一个控制器可与多个设备相连（因为控制器的速度快于机械部分），交替地或分时地控制与其相连的设备。例如，磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器。,5.1.2 设备控制器,设备控制器 是处于CPU与I/O设备之间的接口，接收CPU发来的命令，并控制I /O设备工作，是一个可编址设备。 功能：接收和识

8、别命令、实现数据交换、了解设备状态以及识别设备地址。,设备控制器的组成 设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备接口 I/O逻辑 寄存器：控制寄存器(存放命令及参数)、数据寄存器(存放数据)、状态寄存器(记录设备状态)。,5.1 .2 设备控制器,设备控制器的组成,返回,引入原因:计算机系统规模越来越大，所连接的外围设备也越来越多，使I/O处理成为一个十分突出的问题。为了实现速度匹配，并使CPU与I/O操作尽可能地并行工作，以提高CPU的利用率，IBM公司提出了“通道”的概念。通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使CPU与I/O操作达到更高的并行度。在采用通道的系统中，除了一

9、般的机器指令系统外，系统还设置了供通道专用的一组通道指令，用通道指令编制成通道程序,5.1.3 I/O 通道,1.通道的功能,（1）通道的基本功能：通道的基本功能是执行通道指令、组织外围设备和主存进行数据传送，按I/O指令要求启动外围设备，向CPU报告中断等 (2）CPU对通道的管理：CPU通过执行I/O指令和处理来自通道的中断实现对通道的管理，来自通道的中断有两种：数据传送结束中断和故障中断。 （3）通道对设备控制器的管理：通道通过使用通道指令控制设备控制器进行数据传送，并以通道状态字接收设备控制器反映的外围设备的状态。因此，设备控制器是通道对I/O设备实现传送控制的执行机构。,5.1.3

10、I/O 通道,2、通道类型 根据信息交换方式的不同，通道可分成以下几种类型： 字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道 注：“瓶颈”问题,返回,字节多路通道,其工作原理: 数据传送是按字节交叉方式工作。 1)有一个主通道。 2)含有多个子通道A、B、C 3)每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按字节交叉使用主通道。 优点：可连多台中/低速设备；能分时并行操作。 缺点：传输率较低。,返回,数组选择通道,数据传送是按成组方式进行工作，每次传输一批数据。主要用于连接高速I/O设备。 1)有一个主通道 2)含有多个子通道A、B、C

11、 3)每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设备相连，在一段时间内只能选择一个子通道程序执行。 优点：可连多台高速设备；传输率较高。 缺点：某子通道不传数据，而使主通道闲置，其它子通道也不能传数据。所以通道的利用率很低。,返回,数组多路通道,数据传送仍是按数组方式工作。工作原理（结合两者：并行+数组） 1)有一个主通道 2)含有多个子通道A、B、C 3)每子通道通过一控制器与一台高/中速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按数组方式使用主通道。 优点：可连多台高/中速设备；能分时并行操作，传输率较高。,返回,5.1.4 I/O 系统的结构,返回,5.2

12、 I/O 控制方式,常用的输入/输出控制方式： 1、轮询方式 2、中断控制方式 3、直接内存访问DMA方式 4、通道控制方式,返回,1、程序直接控制方式,程序控制输入/输出方式又称为状态驱动输入/输出方式或应答输入/输出方式 它采用程序查询的方式直接参与数据的输入/输出（注意：程序就是CPU） 问题：CPU等待每一个操作完成的时候会花费大量时间“忙于什么也不做”（ busy doing nothing ）CPU大部分时间都处于检查和等待状态，整个计算系统的效率十分低下。,程序控制输入/输出方式以键盘为例,1、CPU向键盘的控制器发一条输入命令，启动键盘进行输入操作，并将状态寄存器的”忙闲位”置

13、1，表示忙。 2、然后CPU运行程序不断测试状态寄存器的完成位，看键盘是否完成了输入。直到键盘已将数据输入到了键盘控制器的数据寄存器中，状态寄存器的完成位变为0时，CPU才停止测试。 3、CPU取走数据寄存器中的输入数据。 目前IDE接口硬盘仍在使用这种方式，称为PIO（Programming Input/Output）模式。,返回,2、中断控制方式,）需数据的进程由CPU发出指令启动I/O设备输入数据。 ）该进程放弃处理机，等待输入完成。 ）输入完成后，I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU收到后，转向中断服务程序。中断服务程序将输入寄存器中的数据送指定内存单元，并将原进程唤醒，继续执行。

14、 ）在以后，该进程再被调度，从内存单元取出数据进行处理。,中断输入/输出方式以键盘输入为例,（1）开中断。CPU把启动位和中断允许位为1的控制字写入键盘控制状态寄存器中，启动键盘。（当中断允许位为1时，中断程序可以被调用。） （2）进程等待键盘输入完成（进入等待队列），由进程调度程序调度其他就绪进程使用CPU。 （3）键盘启动后，当数据寄存器装满后，键盘控制器通过中断请求线向CPU发出中断信号。 （4）CPU暂停正在进行的工作，转向执行中断处理程序。（取出数据寄存器中的输入数据送到内存特定单元，并将等待输入完成的进程唤醒。） （5）中断处理程序完毕，CPU返回断点继续执行。 （6）以后某个时刻

15、，进程调度程序选中正处于就绪状态的那个进程，该进程从特定内存单元中取出所需的数据继续工作。,中断输入/输出方式,缺点：CPU在响应中断后，还需要时间来执行中断服务程序。如果数据量大，需要多次执行中断程序，CPU的效率仍然不高。,优点：CPU不需等待数据传输完成，I/O设备与CPU并行工作，CPU的利用率因此提高。,返回,3、DMA方式直接内存存取技术,1）需数据的进程由CPU发出指令，向DMA控制器写入数据存放的内存始址、传送的字节数，并置中断位和启动位，启动I/O设备输入数据并允许中断。 2）该进程放弃处理机等待输入完成，处理机被其它进程占据。 3）DMA控制器窃取CPU周期，将一批数据写入

16、内存中。 4）DMA控制器传送完数据后向CPU发中断请求，CPU响应后转向中断服务程序唤醒进程，并返回被中断程序。 5）在以后该进程再被调度，从内存单元取出数据进行处理。,为了实现直接存取需如下部件,1、主存地址寄存器 2、字计数器 3、数据缓冲寄存器或数据缓存区 4、设备地址寄存器 5、中断机制和控制逻辑,3、DMA方式,优点- CPU利用率进一步提高（并行度有所提高）。 缺点- 数据传送方向、字节数、内存地址等需由CPU控制，且每一设备需一台DMA控制器，设备增多时，不经济。,返回,4、通道控制方式,通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。 通道有自己的一套简单的指令系统，称为通道指令。每条通道指令规定了设备的一种操作，通道指令序列便是通道程序，通道执行通道程序来完成规定动作。 通道靠执行通道程序软件完成数据传输，通道控制器的功能比DMA控制器更强大，它能够承担外设的大部分工作。,4、通道控制方式,1）需数据的进程向CPU发出指令，CPU发出启动指令指明I/O操作、