os21(设备管理1)

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1、第六章 设备管理 P160,计算机外部设备：计算机系统中除CPU和内存储器外,用来向计算机输入和输出信息的所有设备和装置,称为计算机外部设备（也叫外围设备或I/O设备）如键盘、鼠标、显示器、打印机等。 在现代计算机系统中有些设备既是I/O设备，也是存储设备。例如，软盘、硬盘等。 （存储设备：用来存放各种信息的设备称为存储设备，例如，软盘、硬盘、光盘和磁带等；）,磁带机,硬盘,光盘,绘图仪,扫描仪,键盘,打印机,常见外设,负责管理系统中所有的外部设备。,设备管理,1、进行设备分配 设备分配程序,2、实现真正I/O操作 设备处理（驱动）程序,3、实现其它功能 缓冲区管理,用缓冲区提供CPU与I/O

2、设备的速度匹配,按照设备类型和系统分配策略进行设备分配与回收,向用户提供统一的接口屏蔽I/O操作的细节,实现设备驱动真正的I/O操作,实现虚拟设备管理,设备管理的功能,按传输速度,低速：键盘、鼠标,中速：打印机,高速：磁盘,6.1.1 I/O设备分类,6.1 I/O系统,6.1.2 I/O系统的结构,CPU,存储器,高速I/O设备,总线,共享总线,设备与CPU之间通过设备控制器连接,低速I/O设备,控制器,（1）微型机I/O系统的结构,主存,主存,CPU,通道,通道,通道,通道,I/O 设备,磁 盘,磁带,通信 设备,控制器,（2）主机I/O系统结构,1,2,3,4,*以通道代替CPU完成与设

3、备控制器的通信,*通道与CPU共享主存,1、什么是设备控制器,位于CPU与设备之间，接收CPU下达的输入、输出命令 并控制具体设备实现操作。,6.1.3设备控制器,2、设备控制器功能,1、控制器与CPU的接口单元,2、控制器与设备接口单元,3、I/O逻辑单元,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,状态,控制,数据,状态,控制,P164 图5-2 设备控制器的组成,3、设备控制器组成,1、虽然设备控制器已能大大减少CPU对I/O的干预，但当主机所配置的外设很多时，CP

4、U的负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间增设通道以建立独立的I/O操作。不仅数据的传送能够独立于CPU，也使得对I/O操作的组织、管理和结束处理尽量独立。 2、通道是一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力。通过执行通道程序来控制I/O操作。 3、CPU只需向通道发出一条指令，通道便从内存中取出本次执行的通道程序，并执行。仅当通道完成了规定的I/O任务后，才向CPU发出中断信号。 通道程序可以包含多次输入、输出，是一个相对完整的过程。 4、通道与一般的处理机又有所不同：其指令类型单一，局限于I/O相关的指令；与CPU共享内存。,6.1.4 I/O通道,1、字节多路通道,以字节为单位；

5、以“分时”方式服务于多个I/O设备多路,数据传送速率低，适于连接低速或中速设备,通道类型: 根据信息交换方式的不同可分为以下三类:,多个非分配型子通道，按时间片轮转方式共享主通道。,以数组为单位，可以连接多台高速设备,只有一个分配型子通道，设备独占通道,数据传送速率高，通道利用率低,2、数组选择通道,通道1,存储器,通道2,控制器2,控制器1,控制器3,控制器4,设备7,设备6,设备5,设备4,设备3,设备2,设备1,“瓶颈”问题：单通路系统,多通路:解决“瓶颈”问题的方法：,6.1.5 总线系统,所谓总线（Bus），一般指通过分时复用的方式，将信息以一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的

6、一组传输线。在计算机系统中，各个功能部件都是通过总线交换数据。 通常,主板上的一些用于扩充PC机功能的标准扩展插槽,就是我们所能见到的PC总线形式.,总线的性能是用总线的时钟频率、带宽、总线传输速率等指标来衡量的。 总线带宽，用于衡量数据通信速度的快慢。定义为总线本身所能达到的最高传输速率，单位是兆字节每秒（MB/s）,系统总线的发展,总线的速度对系统性能有着极大的影响。因此，总线被誉为是计算机系统的神经中枢。 但相比CPU、显卡、内存、硬盘等功能部件，总线技术的提升步伐要缓慢得多。在PC发展的二十余年历史中，总线只进行三次更新换代，但它的每次变革都令计算机的面貌焕然一新。,早期的PC总线和I

7、SA总线 PCI/AGP总线 目前主流的PCI Express、HyperTransport高速串行总线,早期的PC总线和ISA总线,PC总线是最古老的总线之一，最早出现在IBM公司1981年推出的PC/XT电脑中，它基于8位结构的8088处理器，也被称为PC/XT总线，是第一种被认可为广泛标准的总线技术。 PC总线沿用了三年多时间，直到1984年，IBM推出基于16位英特尔80286处理器的PC/AT电脑，系统总线才被16位的PC/AT总线所代替。而这个时候，PC产业已初具规模，加之IBM允许第三方厂商开发兼容产品，PC/AT总线规范也被逐渐标准化，并衍生出著名的ISA总线（Industry

8、 Standard Architecture，工业标准架构）。 ISA总线最大数据传输率为8MBps和16MBps今天来看这样的性能低得不可思议，但在当时8MBps的速率绰绰有余，完全可满足多个CPU共享系统资源的需要。ISA总线一直贯穿286和386SX时代，在当时，16位X86系统对总线性能并没有太高的要求。但在32位386DX处理器出现之后，16位宽度的ISA总线就遇到问题，总线数据传输慢使得处理器性能也受到严重的制约。 康柏、惠普、AST、爱普生等九家厂商协同将ISA总线扩展到32位宽度，EISA（Extended Industry Standard Architecture，扩展工业

9、标准架构）总线由此诞生,PCI/AGP总线、PCI-X总线,PCI总线诞生于1992年。英特尔推出486处理器，这个时候，EISA总线成为瓶颈，因为CPU的速度已经明显高于总线速度。为了解决这个问题，英特尔公司提出32位PCI总线的概念，并迅速获得认可成为新的工业标准。 1996年，3D显卡出现，揭开3D时代的序幕。由于3D显卡需要与CPU进行频繁的数据交换，而图形数据又往往较为庞大，PCI总线显得力不从心 。英特尔在PCI基础上专门研发出一种专门针对显卡的总线标准，它就是大名鼎鼎的AGP总线（加速图形接口，Accelerated Graphics Port）。 随着PC系统发生了巨大的变化，

10、各个设备的接口速度暴涨，加上千兆网卡、磁盘阵列卡等高性能设备，原来的带宽早已成为严重的瓶颈。而服务器领域的千兆网卡、SCSI硬盘或SCSI RAID系统更是带宽占用大户，PCI总线根本无法满足要求。在这种背景下，开发彻底代替PCI的新一代总线势在必行。 服务器厂商与PC厂商持有不同的看法，这也导致PCI-X和PCI Express两大标准的同时出现前者专门针对服务器/工作站领域，采用平滑升级的方式获得高性能，可以称为PCI技术的改良；而后者则是一种革命性的高速串行总线技术，主要用于PC系统中,PCI Express、HyperTransport高速串行总线,PCI Express改良了基础架构

11、，彻底抛离落后的共享结构，一个新的时代开始了。 PCI Express与并行体系的PCI没有任何相似之处，它采用串行方式传输数据，而依靠高频率来获得高性能，因此PCI Express也一度被人称为“串行PCI ”,很顺利就达到2.5GHz的超高工作频率。其次，PCI Express采用全双工运作模式。第三，PCI Express没有沿用传统的共享式结构，它采用点对点工作模式（Peer to Peer，也被简称为P2P），每个PCI Express设备都有自己的专用连接，这样就无需向整条总线申请带宽，避免多个设备争抢带宽的糟糕情形发生，而此种情况在共享架构的PCI系统中司空见惯。 HyperTr

12、ansport是AMD自家提出的企业标准，设计目的是用于高速芯片间的内部联接 .在基本工作原理上，HyperTransport与PCI Express如出一辙，都是通过串行传输、高频率运作获得超高性能，但HyperTransport技术早于PCI Express，后者其实是参照HyperTransport而设计的。,6.2 I/O控制方式的演变,在早期的计算机系统中，由于没有引入I/O控制器，因而CPU只能直接控制I/O设备。这就要求CPU的指令集必须包含驱动各种I/O设备的指令，使CPU与I/O设备之间的合作方式是串行的。 当引入非中断I/O控制器后，CPU便可以通过I/O控制器间接地控制I

13、/O设备。这意味着CPU的指令集可以被简化。然而由于没有引入中断机制， CPU只能采用循环测试方式控制I/O设备。故CPU与I/O设备之间的合作方式仍然是串行的。程序I/O方式 随着中断机制的引入，CPU与I/O设备之间的合作方式也由原来的串行方式改变为并行方式。这意味着CPU不再“忙等”I/O设备操作完毕，从而提高了CPU的利用率。中断控制方式 DMA控制器的引入使得I/O 设备与存储器之间可以交换一块数据而无需CPU的介入。这意味着CPU与I/O设备之间的并行度得到了进一步提高， 从而CPU的利用率也得到了进一步提高。DMA控制方式 与DMA控制器不同，I/O通道(I/O Channel)

14、可以执行专门的程序来控制I/O设备。这意味着I/O设备的大部分控制工作可以交给I/O通道来完成。显然，I/O通道引入可以使CPU最大限度地摆脱I/O设备控制事务，从而最大限度地提高了CPU的利用率。通道方式,由程序循环测试控制器的状态,启动数据 接收,有数据 接收？,否,是,忙等,启动数据 发送,数据发送 完毕？,否,是,6.2.1 程序I/O方式（轮询）,6.2.2 中断控制方式,cpu,中断控制器,1.设备完成工作,3.Cpu响应中断,2.中断控制器发出中断 并告诉cpu哪个设备的I/O完成,总线,中断,结合进程调度机制，实现让权等待,中断控制方式,当前正在执行的进程提出I/O请求时， 启

15、动I/O，由中断控制器控制I/O的进行，当前的进程阻塞自己，释放cpu，等待下一次被调度。 cpu则被分配给其他的进程(去做别的事情)，随时等待处理中断。 当一个数据处理完成，向cpu发送中断，cpu被打断，暂停执行正在执行的程序，转而执行中断处理程序，并完成输入数据的处理。并检查是否还要继续输入或输出数据（比如处理下一个字符）。如果没有更多的数据要处理，则将刚刚阻塞的用户进程唤醒，重新放入到就绪队列中，等待下一次调度。 同时cpu继续做当前的事情直到下一次调度。,CPU,中断方式：,其他进程,中断处理,设备,等待数据,被唤醒的等待进程,数据到 设备,产生中断,暂不接收 数据,清除中断,等待数

16、据,唤醒等待接收的进程,CPU,等待进程测试设备,设备,等待数据,继续测试设备,处理输入数据,数据到 设备,暂不接收 数据,等待数据,忙等,中断机制实现了CPU与设备的并行控制让权等待,程序I/O方式：,中断控制方式一般以字节为单位产生中断， 每个字节在中断处理程序中，读入到CPU的寄存器中。,DMA方式为成块传递， 1、数据直接在DMA控制器控制下通过总线传递到内存中 2、在完成指定量的数据接收后，DMA控制器才向CPU 产生中断。 3、通过中断处理程序唤醒等待数据的进程 4、等待数据的进程经过调度处理输入的数据,在外设和内存之间开辟直接的数据交换通路。 减少CPU在数据传递过程中的干预,6.2.3 DMA方式,外设的管理和某些操作仍由处理器控制； 多