计算机操作系统-第5章设备管理

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1、第5章 设备管理Date1概 述I/O系统包括：用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的设备控制器Date2I/O系统的特点1.I/O性能经常成为系统性能的瓶颈(3)进程切换多，系统开销大(2)CPU性能越高，与I/O差距越大(1)CPU性能不等于系统性能响应时间也是一个重要因素弥补：更多的进程Date32.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源 多、杂，并发，均来自I/O外设种类繁多，结构各异输入输出数据信号类型不同速度差异很大Date43.理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键I/O技术很实用4.与其他功能联系密切，特别是文件系统Date5设备管理的基本任务 完成

2、用户提出的I/O请求 提高I/O速率 提高I/O设备的利用率Date6设备管理的主要功能 缓冲区管理 设备管理 设备处理 虚拟设备 实现设备独立性Date7主要内容5.1 I/O系统 5.6 磁盘存储器的管理5.2 I/O控制方式5.3 缓冲管理5.5设备分配5.4 I/O软件Date8本章重点：I/O控制方式； 缓冲区引入的原因；设备独立性的定义； SPOOLing技术；磁盘调度算法本章难点：磁盘调度算法本章计划学时：8Date95.1 I/O系统P160概 述I/O系统定义：I/O系统是用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。Date10本节主要内容：5.1.1 I/O设备5.1.2 设备

3、控制器5.1.3 I/O通道5.1.4 总线系统本节学习目标：掌握从不同角度对I/O设备的分类；了解设备控制器的作用和组成；掌握I/O系统的两种结构，掌握通道的含义返回Date115.1.1 I/O设备1） 按传输速率分类低速设备 如键盘、鼠标、语音的输入和输出设备等中速设备 高速设备1.I/O设备的类型Date12这种方法可把外部设备分为存储设备和输入/ 输出（I/O）设备。2）按设备的使用特性分类输入型设备（外设主机）输出型设备（主机外设）输入输出型设备（交互型设备）Date13 块设备（存储型设备）以数据块为单位存储、传输信息特征： 传输速率较高；可寻址；采用DMA方式 ； 字符设备（输

4、入/输出型设备）以字符为单位存储、传输信息特征： 速率较低；不可寻址；采用中断驱动方式 3 3）按信息交换的单位分类）按信息交换的单位分类Date14 独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设 备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁 带等） 共享设备共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的设在一段时间内可有多个进程共同使用的设 备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其 资源利用率高。（如硬盘）资源利用率高。（如硬盘）4 4） 按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类Date15在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备

5、，被模拟的设备称为虚拟设备目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率（实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术用硬盘模拟输入输出设备） 虚拟设备虚拟设备Date16 系统设备指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备（如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备指在系统生成时，未登记在系统中的非标准 设备。对于这类设备的处理程序由用户提供， 并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。（如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备）5 5）按外部设备的从属关系分类）按外部设备的从属关系分类Date17缓冲转换器控制逻辑至设备 控制器数据信号线状态信号线控制信号线信号数据2.设备与控制

6、器之间的接口I/O设备Date18I/O设备的三条信号线：1）数据信号线2）控制信号线3）状态信号线Date195.1.2 设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口 。 设备控制器可分为两类:用于控制字符设备的控制器;用于控制块设备的控制器.设备控制器的主要职责：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。设备控制器可编址。 Date201. 设备控制器的基本功能接受和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲；差错控制； Date212.设备控制器的组成1）设备控制器与处理机的接口；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：

7、数据线、地址线和控制线3）I/O逻辑2）设备控制器与设备的接口；每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。Date225.1.3 I/O通道1.I/O通道 定义：通道是独立于CPU的专门负责 数据输入/输出传输工作的处理机，对 外部设备实现统一管理，代替CPU对输 入/输出操作进行控制，从而使输入， 输出操作可与CPU并行操作。Date23通道与CPU一样有运算和控制逻辑，有累加器和寄存器，有自己专门的指令系统，具有向内存直接存取数据的能力。通道由CPU启动，一经启动成功后通道就可以独 立于CPU而工作。在通道工作的同时CPU可同时处理其它任务。Date24引入通道的目的：为了使CPU从

8、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 间的并行工作能力通道与一般处理机的区别通道的指令类型单一；通道没有自己的内存；Date252. 通道类型 1) 字节多路通道字节多路通道以字节为单位传输信息， 它可以分时地执行多个通道程序。当一个 通道程序控制某台设备传送一个字节后， 通道硬件就控制转去执行另一个通道程序 ，控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如 打印机，终端。以字节为单位交叉传输，当一台传送一个 字节后，立即转去为另一台传送字节Date26Date272)数组选择通道选择通道是以成组方式工作的，即每次 传送一批数据，故传送速度很高。选择通

9、 道在一段时间内只能执行一个通道程序， 只允许一台设备进行数据传输当这台设备数据传输完成后，再选择与通 道连接的另一台设备，执行它的相应的 通道程序Date28主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备选择通道Date293)成组多路通道它结合了数组选择通道传送速度高和字节多路通 道能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备 执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设 备执行一条通道指令主要连 接高速 设备Date303.“瓶颈”问题Date31交叉连接Date32CPU存储器磁 盘 控制器磁盘驱动器打印机 控制器打印机其它控 制器总线型I/O系统结构5.1.4 总线系统Date33总线系统的发展:IS

10、AEISAVESAPCI要求:了解各种总线的带宽/最高传输速率.返回Date345.2 I/O控制方式P167 5.2.1 程序I/O方式返回5.2.4 I/O通道控制方式5.2.3 直接存储器访问（DMA）I/O控制方式5.2.2 中断驱动I/O控制方式本节主要内容：本节学习目标：熟练掌握4种I/O控制方式的名称，掌握中断 驱动I/O控制方式和直接存储器访问（DMA） I/O控制方式的实现Date355.2.1 程序I/O方式 程序I/O方式是指由程序直接控制内存或 CPU和外围设备之间进行信息传送的方式。 通常又称为“忙等”方式或循环测试方式。Date365.2.2 中断驱动I/O控制方式

11、 （1）进程需要数据时，将允许启动和允许 中断的控制字写入设备控制状态寄存器中 ，启动该设备进行输入操作。 （2）该进程放弃处理机，等待输入的完成 。操作系统进程调度程序调度其他就绪进 程占用处理机。 （3）当输入完成时，输入设备通过中断请 求线向CPU发出中断请求信号。CPU在接收 到中断信号之后，转向中断处理程序。Date37（5）在以后的某一时刻，操作系统进程调度程序 选中提出请求并得到获取数据的进程，该进程从 约定的内存特定单元中取出数据继续工作。（4）中断处理程序首先保护现场，然后把输入 缓冲寄存器中的数据传送到某一特定单元中去， 同时将等待输入完成的那个进程唤醒，进入就绪 状态，最

12、后恢复现场，并返回到被中断的进程继 续执行。Date38 DMA方式又称直接存储器访问（Direct Memory Access）方式。其基本思想是在外设和 主存之间开辟直接的数据交换通路。 DMA方式的特点是：（1）数据传送的基本单位是数据块。（2）所传送的数据是从设备送内存，或者相反。 （3）仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时 ，才需中断CPU，请求干预，整块数据的传送是在 DMA控制器控制下完成的。5.2.3 直接存储器访问（DMA）I/O控制方式Date39DMA (direct memory access)技术DMA方式与中断的主要区别 中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求

13、， CPU进行中断处理DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结 束时要求CPU进行中断处理大大减少了CPU进行中断处理的次数中断方式的数据传送是由CPU控制完成的而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不 经过CPU控制完成的Date405.2.4 I/O通道控制方式 通道控制方式与DMA方式相类似，也是一种内存 和设备直接进行数据交换的方式。 与DMA方式不同的是，在通道控制方式中，数据 传送方向、存放数据的内存始址及传送的数据块长 度均由一个专门负责输入/输出的硬件通道来控 制。 另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制 器，而通道控制方式中，一个通道可控制多台设备 与内存进行数据

14、交换。 返回Date41.3 缓冲管理P171在操作系统中采用缓冲是为了缓解CPU与I/O设 备之间速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备 的并行性。概 述凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。Date425.3.1 缓冲的引入本节主要内容：5.3.2 单缓冲和双缓冲5.3.3 循环缓冲5.3.4 缓冲池 本节学习目标：熟练掌握引入缓冲的主要原因；了解各种缓冲的实现Date431、缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾2、减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间 的限制3、提高CPU与I/O设备之间的并行性引入缓冲区的原因:5.3.1 缓冲的引入Date44例子：假设只有1

15、位缓冲对于速率为9.6Kb/s的数据通信来说，就意味 着其中断CPU的频率为： 9.6Kb/s即每100um就要中断CPU一次问题：若采用8位缓冲，中断CPU的频率为多少？中断响应时间为多少？答案：1.2Kb/s; 800umDate451）硬缓冲： 在设备中设置缓冲区，由硬件实现软缓冲： 在内存中开辟一个空间，用作缓冲区5.3.2 单缓冲和双缓冲缓冲区的设置：2）单缓冲，双缓冲，循环缓冲，缓冲池3）通用缓冲，专用缓冲Date46 单缓冲是操作系统提供的最简单的一种 缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求 时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲 区，该缓冲区用来临时存放输入/输出数据 。1.单

16、缓冲Date47用户进程处理（C）工作区缓冲区传送（M）输入（T） I/O设备T1M1C1T2M2C2T3M3C3单缓冲工作示意图说明：系统对每一块数据的处理时间表示为：Max(C,T)+MDate482. 双缓冲 解决外设之间并行工作的最简单的办法是设置双缓冲。在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设 置两个缓冲区buffer1和buffer2。双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进一步 提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大量的输入和输出， 同时双缓冲很难匹配设备和CPU的处理速度。因此现代计算机系统中一般使用循环缓冲或缓冲池结构。Date495.3.3 循环缓冲1.循环缓冲的组成循环缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存储区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，每个缓冲区中有一个指