操作系统5设备-09

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1、第五章 I/O设备管理,5.1 I/O设备,5.2 I/O控制方式,5.3 设备分配,5.4 缓冲管理,5.5 I/O处理过程,5.6 磁盘存储管理器,5.1 I/O设备,OS设备管理中的设备指外部设备，包括输入设备与输出设备，即除主机（CPU+内存）之外的所有设备。 I/O性能经常成为整个系统性能的瓶颈，CPU性能并不等于系统性能，CPU性能越高，与I/O差距越大。 OS庞大复杂的原因之一就是外设资源多而杂，种类繁多，结构各异，速度差异很大。,5.1 I/O设备,外存设备：软硬盘、光盘 输入：键盘、鼠标、话筒 计算机 人机通信 、扫描仪 外部设备 设备 数码相机、数字摄像机 输出：显示器、打

2、印机、喇叭 输入输出设备 绘图仪 计算机与计算机间的通信设备： 机机通信 Modem、路由器、网卡 设备 计算机与非计算机间的通信设备： 数据采集设备，自动控制设备,一、计算机设备的分类,5.1 I/O设备,基于设备的工作特性： 外部存储设备（长期保存信息，可随时访问，如磁盘、磁带） 输入/输出设备（字符设备，以单个字符为单位存储、传输信息，如显示器、键盘、打印机等）,5.1 I/O设备,基于设备的从属关系： 系统设备（一般是标准设备）（OS生成时就配置在系统中的标准设备，如：键盘、鼠标、显示器、终端等） 用户设备（一般为非标准设备）（设备的处理程序由用户提供，需另外安装，如：扫描仪、A-D/

3、D-A转换设备等）,5.1 I/O设备,基于设备的分配特性： 独占设备（使用具有排它性，低速I/O设备） 共享设备（可由多个用户程序交替使用，如硬盘） 虚拟设备 ( 模拟独占设备为共享设备，即将慢速的独占设备经软件技术改造成为多个进程可以共享的设备，典型如SPOOLing技术 ）,5.1 I/O设备,基于信息组织和处理的方式： 字符设备（信息以字符为单位来组织和分配的；系统中大部分均属此类，如打印机、键盘、显示器等；特点是速度慢，也称慢速设备） 块设备（信息以块为单位来组织和分配的；如磁盘、磁带等；特点是速度快，也称快速设备）,二、设备管理的目标与功能,5.1 I/O设备,1. 设备管理目标：

4、 提高系统资源利用率 多道程序环境下，资源数总是少于进程数。 需合理分配设备资源，并使外设与外设、外设与CPU并行工作，使设备尽可能处于忙碌状态。,方便用户使用 对于各种各样的外设，为用户提供便利、统一的使用界面。 OS把各种外设的物理特性隐藏起来，把各种外设的具体操作方式隐藏起来，由OS面对；而让用户面对的是使用方便的设备，这样就可使用户摆脱繁琐的编程负担。,5.1 I/O设备,2. 设备管理的功能： 提供用户接口：提供一组I/O命令，即用户使用外设的接口，用户在程序中通过这些命令使用外设。 进行设备的分配与回收：OS中I/O管理程序负责接受用户使用外设的请求、分配设备、回收设备。 实现真正

5、的I/O操作：OS依据用户的请求，通过具体的设备驱动程序，启动外设，进行实际的I/O操作；操作完毕就通知用户进程，由设备中断服务程序完成善后工作。 其它功能：管理缓冲区，CPU与I/O设备通过缓冲区传送数据，以解决高速CPU与慢速外设之间矛盾。OS有专门软件管理缓冲区的分配与回收。,5.2 I/O控制方式,一、设备控制器,每种I/O设备都要通过设备控制器与CPU相连。 设备控制器是CPU与I/O设备间的接口，处于CPU与外设之间。,设备控制器的基本功能,接收和识别命令 2) 数据交换 3) 标识和报告设备的状态 4) 地址识别 5) 数据缓冲 6) 差错控制,5.2 I/O控制方式,设备控制器

6、的组成,5.2 I/O控制方式,设备控制器通过自己内部的寄存器与CPU通信 数据寄存器 存放传输来的数据 状态寄存器 存放外设的状态，供CPU测试 控制寄存器 存放CPU发出的操作命令与参数 OS把命令以及参数写入控制寄存器，外设据此实现I/O 设备控制器接受CPU的I/O命令后，就独立于CPU控制外设去完成命令指定的任务，这时外设与CPU并行，即在外设I/O的同时，CPU在运行其它进程。,5.2 I/O控制方式,外设完成所要求的I/O任务后，要通知CPU。 I/O控制方式有四种：,早期采用“被动式”，控制器设置一个完成标志，等待CPU来查询，即程序直接控制方式。 现在采用“主动式”，即通过中

7、断方式主动通知CPU，让CPU来进行处理，即中断控制方式。 直接存储器存取方式（DMA）和通道控制方式也是基于中断的主动型的数据传输控制方式。,5.2 I/O控制方式,二、程序直接控制方式,向控制器发读命令,读控制器状态,检查状态,从控制器中读入字,向存储器中写字,传送完成？,出错,未就绪,未完成,完成,下条指令,CPUI/O,I/OCPU,I/OCPU,CPU内存,就绪,以读为例，说明程序直接控制I/O方式,5.2 I/O控制方式,评价： 在程序I/O方式中，由于CPU的高速与I/O设备的低速，使得CPU绝大部分时间，都处于等待外设完成数据I/O的循环测试之中，造成CPU的极大浪费。 此外，

8、CPU与I/O设备只能串行工作，整个计算机系统效率低下。,5.2 I/O控制方式,三、中断方式,以读为例，说明中断控制I/O方式,向控制器发读命令,读控制器状态,检查状态,从控制器中读入字,向内存中写字,传送完成？,出错,未完成,完成,下条指令,CPUI/O,I/OCPU,I/OCPU,CPU内存,就绪,CPU做其它事,中断完成信号,5.2 I/O控制方式,中断方式说明： 1.某一进程处于执行状态，通过CPU向外设控制器发出I/O指令； 该进程随即阻塞，等待I/O完成； OS立即将CPU调度给其它进程使用； 而外设控制器得到指令后，就独立于CPU进行指令规定的操作； 如此，CPU与I/O并行工

9、作。 2.当外设I/O操作完成，设备控制器立即向CPU发中断完成信号； CPU接到信号响应该中断，立即转中断处理程序； 由中断处理程序把数据从设备控制器传送到内存。 3.被阻塞进程在I/O完成后，状态即转变为就绪，等待OS调度，以执行余下的程序。,5.2 I/O控制方式,四、直接存储器存取方式,以上介绍的程序控制方式和中断方式，主机与外设进行的数据传送都是以CPU为中心组织的。,CPU,I/O设备,内存,DMA（Direct Memory Access） DMA方式在外设与内存之间开辟了直接交换数据的通路，使用于磁盘等高速I/O设备。 在DMA控制器的控制下，内存和外设直接进行成批数据的快速传

10、送，不需要CPU的加入。形成了以内存为中心组织的数据传送。,内存,CPU,I/O设备,5.2 I/O控制方式,DMA传输数据步骤： 1.一进程请求设备I/O，CPU做如下事： 内存起始地址DMA控制器的地址寄存器 传输字节数 DMA控制器的字节计数器 启动DMA控制器 2.该进程阻塞，等待I/O完成 3.DMA与内存进行数据传输，成批数据传送由字节计数器计算控制 4.传输完，向CPU发中断完成信号 5.CPU接受DMA中断请求，转中断处理程序 6.数据传送完成，唤醒被阻塞进程,5.2 I/O控制方式,5.2 I/O控制方式,五、通道方式,通道介绍： 独立于CPU、专门用作管理I/O的处理机，控

11、制设备与内存直接进行数据交换 通道有自己的指令系统，数量不多，仅涉及读、写、查询、控制等功能；用以编写通道程序 采用通道的系统中，主机与通道相连，通道与设备控制器相连，设备控制器与设备相连,5.2 I/O控制方式,CPU,通道,设备控制器,设备控制器,设备,设备,设备,设备,5.2 I/O控制方式,通道方式工作步骤： 一进程提出I/O请求，CPU把数据传输任务交给通道（指明操作方向、设备号、通道号） 该进程阻塞，CPU随即被调度给其它进程 通道按CPU发来的启动命令，调用通道程序执行（这时通道与CPU并行工作），外设在通道程序的规定下，与内存交换数据 数据传输完毕，通道向CPU发中断请求 CP

12、U响应中断，转中断处理程序，对I/O作善后处理，唤醒被阻塞的进程成就绪态。,5.3 设备分配,在OS的统一管理下，用户进程使用设备，须先提出I/O请求，由OS的设备管理程序进行分配。 设备分配与下列因素有关： 设备属性 系统采用的分配算法 与设备无关性原则 设备分配的安全性,5.3 设备分配,一、设备属性,1.独占设备：使用上具有排它性的设备，如打印机。 分配策略：系统一旦将该类设备分配给指定进程，就由它独占使用，直到用毕释放。 2.共享设备：如磁盘，这类设备可由多个进程同时使用，在时间上则是交叉对设备进行存取访问。 系统对共享设备不进行分配，而是对这一类的I/O请求进行调度。,5.3 设备分

13、配,3.虚拟设备：在大容量磁盘的支持下，用软件技术对独占设备进行改造，使得用户在使用独占设备时，感觉上认为不用同其它进程竞争，便可方便地获得独占设备。 Spooling技术就是一个典型的实现虚拟设备的系统。,5.3 设备分配,二、Spooling技术,什么是Spooling： 引入了多道程序技术后，利用其中的一道程序，来模拟脱机输入时的外围控制机功能，把低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机的功能，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。在主机的直接控制下，实现脱机输入、 输出功能，这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，或称为假脱机操作。,

14、5.3 设备分配,输入井,输出井,输出设备,SPOOLing系统工作示意,磁盘,输入设备,输入进程,输出缓冲区,输出进程,输入缓冲区,内存,5.3 设备分配,SPOOLing系统由3部分组成： 输入井与输出井 硬盘上2大存储空间 输入井：用于收容I/O设备的输入数据 输出井：用于收容用户程序的输出数据 输入缓冲区与输出缓冲区 内存中开辟的2个缓冲区 输入缓冲区：用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送输入井 输出缓冲区：用于暂存由输出井送来的数据，以后再传送输出设备,5.3 设备分配,输入程序与输出程序 输入进程 将用户要求的输入数据， 从输入设备输入缓冲区输入井， 当CPU需要输入数据时，直

15、接从输入井读入内存。 输出进程 将用户要求输出的数据，从内存 输出井输出缓冲区（当输出设备空闲时）输出设备。,5.3 设备分配,系统对用户请求的处理 当用户请求打印输出时，SPOOLing系统中输出进程做如下2件事： A）在输出井申请一空闲盘块区 将要打印的数据送入其中 B）为用户申请空白的用户请求打印表 将用户的打印请求填入表中 把该表挂到请求打印队列上。 如还有其它进程提出打印请求，系统一概接受请求，同样做上述2件事。,以共享打印机为例说明SPOOLing系统工作过程,5.3 设备分配,系统对具体输出的处理 如打印机空闲，输出进程做以下操作： 从请求打印队列的队首取出请求打印表 将打印数据

16、从输出井送内存输出缓冲区 打印机执行打印操作 打印完即检查打印队列是否还有请求表 ,若有，取出现时队首的请求表，继续上述操作,若无，即打印队列空，输出进程阻塞自己 等再有打印请求才被唤醒,5.3 设备分配,SPOOLing系统的特点 ： 将独占设备改造为共享设备，实现了虚拟设备功能。 OS以大容量的共享设备磁盘、多道程序技术为依托，用软件技术来改造独享设备，使用户在感觉上认为他们使用的是共享设备。 宏观上看，多个进程能同时使用一占设备，从每一个进程看，都认为自己独占了一个设备（逻辑设备）。 提高了I/O速度。 从请求打印的进程角度看，其输出数据实质上是送到输出井，极其快速。,5.3 设备分配,三、设备分配方法,