{设备管理}设备管理讲义PPT179页)

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1、第六章 设备管理,本章学习目标,了解I/O设备的几种类型； 掌握程序I/O方式，中断驱动I/O方式，DMA I/O控制方式和I/O通道控制方式；重点掌握DMA方式和通道方式，做到能列举中断方式、DMA方式和通道方式之间的区别和联系。 理解缓冲的引入目的，了解缓冲区的类别和结构，理解缓冲区和快速缓存的区别； 了解设备分配和回收； 掌握Spooling技术的概念，理解引入Spooling技术的目的，做到能叙述出Spooling技术是如何实现的；,了解磁盘的结构，能区分盘面、磁道、柱面、扇区等概念； 理解磁盘访问时间的构成，做到会计算寻道时间和旋转延迟时间； 掌握几种典型的磁盘调度算法，重点掌握SS

2、TF和SCAN算法，理解它们各自优缺点，做到能按照这些算法调度给定的一组磁盘访问请求； 了解几种提高磁盘I/O速度的方法，理解延迟写的过程； 了解I/O应用接口、出错处理,I/O系统的功能、模型和接口,I/O系统的基本功能,1、方便用户使用I/O设备 （1） 隐藏物理设备的细节 I/O设备类型多、多方面存在差异。必须对设备进行抽象，隐藏掉物理设备的实现细节，仅向上层提供少量的、抽象的读/写命令。 （2）与设备的无关性 在隐藏物理设备实现细节的基础上实现。使用抽象的逻辑设备名来使用设备，应用程序与具体的物理设备无关。,I/O系统的基本功能,2、提高CPU与I/O设备的利用率 （3）提高处理机和I

3、/O设备的利用率 一方面要求处理机能快速响应用户的I/O请求，使I/O设备尽快地运行起来；另一方面也应尽量减少在每个I/O设备运行时处理机的干预时间。 （4）对I/O设备进行控制 对I/O设备进行控制是驱动程序的功能。 采用轮询的可编程I/O方式； 采用中断的可编程I/O方式； 直接存储器访问方式； I/O通道方式。,I/O系统的基本功能,3、为用户在共享设备时提供共享 （5）确保对设备的正确共享 互斥访问独占设备、同时访问共享设备。 （6）错误处理 对临时性错误，通过重试操作纠正；对持久性错误，需向上层报告。,I/O系统的层次结构和模型,I/O软件的层次结构,硬件无关,硬件相关,I/O系统的

4、层次结构和模型,I/O系统中各种模块之间的层次 I/O系统的上、下接口 （1）I/O系统接口 I/O系统与上层系统之间的接口。向上层提供对设备操作的抽象命令，供高层对设备的使用。OS在用户层中提供了与I/O操作有关的库函数，供用户使用。 （2）软件/硬件接口(RW/HW) 在它上面是中断处理程序和用于不同设备的设备驱动程序，它下面是各种设备的控制器。 在上下两个接口之间则是I/O系统。,I/O系统的层次结构和模型,应用软件,设备管理,驱动程序,中断处理程序,控制器,设备,I/O系统接口,软硬件接口,设备独立性软件,I/O系统的层次结构和模型,应用程序,文件系统,虚拟内存管理,块设备管理,CD-

5、ROM 驱动程序,流设备管理,网络通信软件,硬盘驱动程序,CD-ROM 中断处理程序,硬盘中断处理程序,键盘驱动程序,打印机驱动程序,网络驱动程序,键盘 中断处理程序,打印机中断处理程序,网络中断处理程序,CD-ROM 控制器,硬盘 控制器,键盘 控制器,打印机 控制器,网络 控制器,光盘驱动器,硬盘驱动器,键盘,打印机,网络,块设备接口,打开/关闭 读写,流设备接口,打开/关闭 取/放 Io_control,网络接口,打开/关闭 读/写 发送/接收,用户层软件,I/O系统接口,设备独立性软件,设备驱动程序,中断处理程序,RW/HW接口,设备控制器,绿色所示的三层组成了I/O系统,I/O系统的

6、层次结构和模型,I/O系统的分层 与前面所述的I/O软件组织的层次结构相对应，I/O系统本身也可分为如下三个层次： 中断处理程序 当有I/O设备发来中断请求信号时，中断硬件初步处理后转中断处理程序。 设备驱动程序 进程和设备控制器之间的通信程序。将上层发来的抽象请求转化为对设备的具体参数和命令，装入控制器中。 设备独立性软件 即设备无关性软件，基本含义：软件独立于具体使用的物理设备。提高了I/O系统的可适应性和可扩展性。 I/O软件独立于具体使用的物理设备。,I/O系统接口,在I/O系统与高层之间的接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口：块设备接口、流设备接口和网络接口。 块设备接

7、口 块设备：数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。 特点 隐藏磁盘的二维结构； 将抽象命令映射为低层操作。,I/O系统接口,流设备接口 字符设备：数据的存取和传输都是以字符为单位的设备。基本特征是传输速率低、不可寻址，常采用中断驱动方式。 get和put操作 常采用顺序存取方式，（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。 in-control指令 统一处理各类字符设备。包含许多参数，每个参数对应一个具体设备。,I/O系统接口,网络通信接口 在现代OS中，都提供了面向网络的功能。但首先还需要通过某种方式把计算机连

8、接到网络上。同时操作系统也必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信或上网浏览。,I/O设备和设备控制器,I/O设备和设备控制器,I/O设备一般是由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件组成。通常将这两部分分开，执行I/O操作的机械部分就是一般的I/O设备，而执行控制I/O的电子部件则称为设备控制器或适配器(Adapter)。在微型机和小型机中也常称为控制卡、接口卡或网卡，可将它插入计算机的扩展槽中。在有的大、中型计算机系统中，还配置了I/O通道或I/O处理机。,I/O设备,I/O设备的类型 1按设备的共享属性（资源分配角度）分类 独占设备

9、。指在在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，如打印机、卡片输入机等。系统一旦将这类设备分配给某一作业，就在作业整个运行期间都为它独占。 共享设备。指允许若干个用户同时共享使用的设备，如磁盘、磁带等。,I/O设备,2按信息交换（单位）方式分类 块设备。指计算机的主存和外设之间的信息交换是以块为单位进行的设备。一块通常是512个字节或1K字节，由于信息交换以块为单位进行，所以这类设备有较高的存取速度；如磁盘、磁带等。 字符设备。指计算机的主存与设备之间的信息交换是以字符为单位进行的设备，由于每次只能传送一个字符的信息，所以这类设备的速度较低，如键盘、显示器、打印机、卡片输入机等。,I/O设

10、备,3按设备的使用特性分类 存储设备。指计算机用来存储信息的设备：如磁盘、磁带等。 输入输出设备。包括输入设备和输出设备两大类。 输入设备：是将外部世界来的信息输送给计算机，如键盘、鼠标器、扫描仪等。 输出设备：是将计算机处理或加工好的信息输出给外部世界，如打印机、显示器、绘图机等。,I/O设备,4按设备的传输速率分类 高速设备。传输率在数十万字节至千兆字节。如磁盘机、磁带机、光盘机等。 中速设备。传输率在每秒数千字节至数十万字节。如行式打印机、激光打印机等。 低速设备。传输率仅为每秒几个字节至数百字节。如键盘、鼠标器等。,设备控制器,设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口，其用途是接收从C

11、PU发来的命令，并去控制I/O设备工作。设备控制器是一个可编址设备。 当它仅控制一个设备时，只有唯一的设备地址。若控制器可连接多个设备，则应含有多个设备地址，每个设备地址对应一个设备。 依其复杂性可分成两大类： 一类是用于控制字符设备的控制器； 另一类是用于控制块设备的控制器。,设备控制器,设备控制器的基本功能 接收和识别命令：接收和译码，需要控制寄存器和命令译码器。 数据交换：实现CPU 控制器；控制器设备的数据交换，需要数据寄存器。 标识和报告设备状态：需要状态寄存器。控制器中的状态寄存器记录设备的状态供CPU了解。例如：当设备处于就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出数据。 地址识

12、别：设备、寄存器有地址，需要配置地址译码器。 数据缓冲区：解决I/O设备与CPU、内存速度不匹配的矛盾。 差错控制：控制器兼管对由I/O设备传送来的数据进行差错检测。,设备控制器,设备控制器的组成 由于设备控制器位于CPU与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU所发来的命令去控制设备工作的功能，因此，现有的大多数控制器都是由以下三部分组成： 设备控制器与处理机的接口。 设备控制器与设备的接口。 I/O逻辑。,设备控制器,设备与控制器之间的接口 通常设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。因此在设备与设备控制器之间应有一接口。在该接口中有三种类型的信号，各

13、对应一条信号线： （1）数据信号线。传送数据信号，对输入而言，是由设备发送给设备控制器的；对输出而言，是由设备控制器经过数据信号线传送来的一批数据先暂存于缓冲器中，经过转换器作适当转换后，再逐个字符地输出。 （2）控制信号线。作为设备控制器向I/O设备发送控制信号的通路。由设备控制器发送给设备，用于规定设备操作的信号。 （3）状态信号线。用于传送指示设备的当前状态的信号。,设备控制器,缓冲,转换器,控制逻辑,数据信号线,I/O设备,控制信号线,信号数据,至设备 控制器,状态信号线,控制器 与设备 接口1,控制器 与设备 接口i,数据,状态,控制,数据,状态,控制,设备控制器,设备控制器与处理机

14、的接口 该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线: 数据线、地址线和控制线。 数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器(在控制器中可以有一个或多个数据寄存器，用于存放从设备送来的数据(输入)或从CPU送来的数据(输出)；第二类是控制/状态寄存器(在控制器中可以有一个或多个这类寄存器，用于存放从CPU送来的控制信息或设备的状态信息)。,设备控制器,I/O 逻辑,控制器 与设备 接口 i,数据寄存器,控制/状态 寄存器,CPU与控制器接口,控制器与设备接口,数据线,地址线,控制线,数据,状态,控制,数据,状态,控制,控制器 与设备 接口 1,C P U,设备控制器,I/O

15、逻辑 在设备控制器中的I/O逻辑用于实现对设备的控制。它通过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令；I/O逻辑对收到的命令进行译码。每当CPU要启动一个设备时，一方面将启动命令发送给控制器；另一方面又同时通过地址线把地址发送给控制器，由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出的命令对所选设备进行控制。,内存映像I/O,驱动程序将抽象I/O命令转换出一系列具体的命令、参数等数据装入设备控制器的相应寄存器，由控制器来执行这些命令，具体实施对I/O设备的控制。具有两种完成方法 利用特定的I/O指令 内存映像I/O,内存映像I/O,利用特定的I/O指令 访问内存和设

16、备需要使用两种不同的指令 例，将CPU寄存器的内容复制到控制器寄存器，指令是 io-store cpu-reg，dev-no，dev-reg 将CPU寄存器内容存入内存单元k的指令是 store cpu-reg，k 缺点：访问内存和访问设备需要两种不同的指令。,内存映像I/O,内存映像I/O 不再区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都采用k。当k处于0n-1之间时，被认为是内存地址，否则就是设备控制器的寄存器地址。 例，将CPU寄存器的内容复制到控制器0的第一个寄存器opcode，指令是 Store cpu-reg，n,I/O通道,I/O通道设备的引入 引入通道的目的：为了使CPU从繁杂的I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力。 I/0通道是一种特殊处理机，专门负责输入/输出工作，具有执行I/O指令的能力。主要目的是为了建立独立的I/O操作，使有关