操作系统进阶-5 设备管理-新大纲

《操作系统进阶-5 设备管理-新大纲》由会员分享，可在线阅读，更多相关《操作系统进阶-5 设备管理-新大纲（97页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第5章 输入/输出管理基本任务是: 完成用户提出的I/O请求， 提高I/O速率, 改善I/O设备的利用率。主要功能有: 缓冲区管理, 设备分配, 设备处理, 虚拟设备, 设备独立性等。设备管理的目 标： 方便性； 并行性； 均衡性； 独立性。1设备管理-新旧大纲比较(一) I/O管理概述1. I/O设备2. I/O管理目标3. I/O管理功能4. I/O应用接口5. I/O控制方式 (二) I/O核心子系统1. I/O调度概念2. 高速缓存与缓冲区3. 设备分配与回收4. 假脱机技术 (SPOOLing)5. 出错处理 (一) I/O管理概述1. I/O控制方式2. I/O软件层次结构(二)

2、I/O核心子系统1. I/O调度概念2. 高速缓存与缓冲区3. 设备分配与回收4. 假脱机技术(SPOOLing) 新大纲2主要知识点1. I/O设备的分类 2. I/O设备控制器 3. I/O控制方式 4. I/O软件层次结构 5. 设备分配 6. SPOOLing技术 7. 缓冲技术 3I/O设备分类传输速率信息交换单位设备共享属性块 设 备独 占 设 备虚 拟 设 备低 速 设 备中 速 设 备字 符 设 备高 速 设 备共 享 设 备4I/O控制方式程序 I/O 方式DMA 控制 方式中断 控制 方式I/O 通道 控制 方式5I/O软件层次结构用户 I/O 层设备 驱动 层设备 无关

3、层中断 处理 层6缓冲技术引入 目的分类缓冲操作 同步控制双 缓 冲缓 冲 池单 缓 冲匹配 CPU 与 I/O 设备 速度循 环 缓 冲减 少 中 断 频 率信 号 量 机 制提高 CPU 与 I/O 设备 并行 度7设备分配数据结构分配技术分配算法虚 拟 分 配独 占 分 配系统设备表共 享 分 配先 来 先 服 务设备控制表控制器控制表通道控制表优 先 级 高 者 优 先Spooling 技术8(1)按信息交换的单位分类 字符设备 块设备 (2)按设备的共享属性分类 独占设备 共享设备 虚拟设 备 (3)按设备的传输速率分类 低速设备 中速设备 高速设 备 (4)按操作特性分类 存储设备

4、 输入/输出(I/O)设备 (5)按设备功能分类人-机交互设备存储类型设备网络通 信设备1.I/O设备的类型92.设备控制器（I/O部件）I/O设备通常包含一个机械部件 和一个电子部件。电子部件被 称作I/O部件或设备控制器。操作系统一般只与控制器打交 道，而非设备本身。1011设备控制器的基本功能接收和识别命令 标识和报告设备的状态 地址识别 数据交换 数据缓冲 差错控制12设备控制器的组成设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备的接口 I/O逻辑I/O逻辑控制器 与设备 接口1控制器 与设备 接口i数据寄存器控制/状态 寄存器数据线地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口数据数据状

5、态控制状态控制133.I/O控制方式程序直接控制方式 中断方式 直接内存方式 通道方式 14程序直接控制方式 CPU直接控制I/O操作的全过 程，包括传输数据、发送读 写命令、测试设备状态。 因此，处理机指令集应包括 控制类、测试类、读写类I/O 指令。15程序直接控制方式 向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字检查状态传送完成？出错完成CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU内存未完未就绪下条指令就绪16 查询方式：查询方式：CPUCPU需花代价需花代价 不断查询不断查询I/OI/O状态。状态。 CPUCPU资源浪费极大。资源浪费极大。程序直接控制方

6、式17中断控制方式 CPU向I/O部件发出命令后， 转去做其他有用的工作。当 I/O部件准备好数据后，利用 中断通知CPU，再由CPU完成 数据传输。18CPU 计算 启动设备 计算 计算 中断处理 计算n设备工 作特点: CPU与设备并行工作设备多时对CPU打扰多19中断控制方式流程图向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字检查状态传送完成？出错完成CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU内存未完下条指令就绪CPU做其它事 中断20DMA方式示意图向DMA控制器 发布读写块命令读DMA控制器 的状态下条指令CPU做其它事中断CPUDMADMACPUuC

7、PU需要访问外设时便将访 问命令、内存地址、本次要传 送的字节数及外设地址发送给 DMA命令寄存器CR、内存地 址寄存器MAR、数据计数器 DC和I/O控制逻辑。 uCPU启动DMA控制器后转向 其它处理。 uDMA控制器负责控制数据在 内存与外设之间传送。每传送 一个字节就需挪用一个内存周 期，按MAR从内存读出或写 入内存一个字节，修改MAR 和计算器DC。 u当DC修改为0时，表示传送 结束，由DMA向CPU发出中 断请求。21DMA工作方式流程图设置MAR和DC初值启动DMA传送命令传送数据字MAR=MAR+1 DC=DC-1DC=0?请求中断在继续执行用户 程序的同时，准 备又一次传

8、送否22I/O通道控制方式通道是通过执行通道程序，并与设 备控制器共同实现对I/O设备的控制 的。 通道方式：通道方式：CPUCPU只需给出只需给出（1 1）通道程序首址）通道程序首址 。（2 2）要访问）要访问I/OI/O设备设备23通道的工作原理设备CAW CCW CDW CSWCCW1 CCW2 CCWi . CCWn数据区. 形成通道程序 . 地址CAW . 启动通道 . 中断处理 .启动中断内存CPU 通道通道程序24CPU直接控制I/O部件引入中断驱动方式引入DMAI/O通道或I/O处理机输入输出控制方式的发展过程25试说明I/O控制发展的主要 推动因素是什么？ 推动I/O控制发展

9、的主要动力在于:尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从繁杂的I/O控制中解脱出 来，把时间和精力投入到数据处理中 。26几种I/O控制方式的比较实现优点缺点 程序 直接 控制 方式由用户进程直接控制 内存或CPU和外围设 备之间的数据传送控制简单，也不需 要太多硬件支持CPU和外围设备 只能串行工作； 设备之间只能串行工作； 无法发现和处理由于设备或其它 硬件所产生的错误。中断 控制 方式利用向CPU发送中断 的方式控制外围设备 和CPU之间的数据传 送大大提高了CPU的 利用率且能支持多 道程序和设备的并 行操作如果中断次数较多，仍然占用大 量CPU时间； 可能出现中断丢失的现象； 可能出

10、现丢失数据的情况。 DMA 方式在外围设备 和内存之 间开辟直接的数据交 换通路进行数据传送除了在数据块传送 开始和结束，不需 要CPU的频繁干涉 。在外围设备 越来越多的情况下， 多个DMA控制器的同时使用，会 引起内存地址的冲突并使得控制 过程进一步复杂化。 通道 方式使用通道来控制内存 或CPU和外围设备 之 间的数据传送进一步减轻了CPU 的工作负担，增加 了系统的并行工作 程度。增加了额外的硬件，造价昂贵。 27几种I/O控制方式的适用场合28练习题 在 I/O控制的发展过程中,最主要的推动因素 是 (A); 使用户所编制的程序与实际使用的物理设备 无关是由 (B)功能实现的 。A:

11、 (1) 提高资源利用率； (2) 提高系统吞吐量； (3) 减少主机对 I/O控制的干预； (4) 提高 CPU与 I/O设备的并行操作程度 。 B: (1) 设备分配； (2) 缓冲管理； (3) 设备管理；(4) 设备独立性； (5) 虚拟设备 。 A: (3) 减少主机对 I/O控制的干预C: (4) 设备独立性29通道与DMA之间有何共同点？ 有何差别？答： 通道与DMA都属于多数据I/O方式； 二者差别在于： 通道控制器具有自己的指令系统，一个 通道程序可以控制完成任意复杂的I/O传输； 而DMA并没有指令系统，一次只能完成 一个数据块传输。304.I/O软件层次结构I/O库函数，

12、如C库中的函数fopen(), fread(), fwrite(), fclose()等。31用户进程用户层I/O设备无关 的I/O设备驱动及 中断处理硬件设备管理子系统 逻辑结构图核 心 态 运 行从功能上看，设备 无关层是IO管理 的主要部分； 从代码量上看，驱 动层是I0管理的 主要部分。 分层是相对灵活的 ，一些具体分层时 细节上的处理是依 赖于系统的。 32用户层I/O 这一层与设备的控制细节无关，不 直接与设备打交道。 它将设备看作逻辑资源，为用户进 程提供各类I/O函数。 用户以设备标识符和一些简单的函 数来使用设备，如打开、关闭、读 、写等。 如C库中的函数fopen(); f

13、read(); fwrite(); fclose()等 。33设备无关I/O 执行所有设备的公有操作1)将逻辑设备名映射为物理设备名，进一步可以 找到相应物理设备的驱动程序2)对设备进行保护，禁止用户直接访问设备3)缓冲管理4)差错控制 向用户层软件提供统一的接口34设备驱动程序处理过程将抽象要求转化为具体 要求检查I/O请求合法性读出和检查设备状态传送必要的参数设置工作方式启动I/O设备35中断处理流程36中断现场保护示意图 37练习题38练习题39练习题B解答：输入/输出软件一般从上到下分为四个层次：用户 层、与设备无关软件层、设备驱动程序以及中断处理程序 。与设备无关层也就是系统调用的处

14、理程序。405.设备分配设备分配中的数据结构设备控制表DCT：控制器控制表COCT:通道控制表CHCT:系统设备表SDT: 记录了系统中 全部设备及其驱动程序地址。41设备控制表（DCT）系统为每一设备都配置了一张设备控制 表，用于记录本设备的情况。如图所示。DCT 1DCT 2DCT n设备类型 type设备标识符deviceid设备状态： 忙/闲指向控制器表的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针设 备 控 制 表 集 合42控制器控制表控制器控制表COCT。如下图：控制器标识符：controllerid控制器状态：忙/闲与控制器连接的通道表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针4

15、3通道控制表通道控制表CHCT。如图所示：通道标识符：channelid通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址通道队列的队首指针通道队列的队尾指针44系统设备表系统设备表SDT。如图所示：表目 1表目 i设备类型 设备标识符 DCT驱动程序入口45设备分配的数据结构46设备分配时应考虑的因素设备的固有属性 设备分配算法 设备分配中的安全性 设备独立性47设备独立性设备独立性：应用程序独立于具体 使用的物理设备。优点： 方便用户编程 便于程序移植 设备分配时的灵活性 易于实现I/O重定向实现：设备独立性软件；逻辑设备表48下面关于设备独立性的论述中,第 几条是正确的论述 设备独立性是 I/O设

16、备具有独立执行 I/O功能的一种特性 。 设备独立性是指用户程序独立于具体使 用的物理设备的一种特性。 设备独立性是指能独立实现设备共享的 一种特性。 设备独立性是指设备驱动独立于具体使 用的物理设备的一种特性。 B49何谓安全分配方式和不安全分配方式？ 安全分配是一种“摒弃请求和保持条件”的资源分配方 式。在这种方式中，一个进程请求资源一旦获得（例如 I/O请求时获得所需的设备），该进程就由运行状态变为 阻塞状态，使它不可能再请求新资源。之后，当该进程再 开始运行时（例如I/O完成后被唤醒），它已不再占有该 资源。因此，这种分配摒弃了造成死锁的一个条件，分配 是安全的。这种分配方式的缺点是进程推进速度慢