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1、第5章 设备管理,5.1 输入输出系统 5.2 输入/输出控制方式 5.3 缓冲技术 5.4 设备分配 5.5 输入输出软件 5.6 虚拟设备 5.7 磁盘存储器管理 5.8 Linux的设备管理 5.9 Windows XP中的设备管理,5.1 输入/输出系统,5.1.1 计算机设备分类 计算机的设备种类繁多，其特性差异也很大，可以从不同角度进行分类。 1按信息传输速率分类 按照设备的信息传输速率，可将设备分成： （1）低速设备： 每秒传输信息仅几个字节至数百个字节，如键盘、鼠标和语音输入设备等。 （2）中速设备： 每秒传输信息数千个字节至数万个字节，如各种打印机。 （3）高速设备： 信息传
2、输速率在每秒数十万个字节以上，如闪存、磁盘机、光盘机和磁带机等。,2按信息交换单位分类 按照设备的信息交换单位，可将设备分成 字符设备：键盘、显示终端、打印机 块设备：磁盘、磁带 3按设备属性分类 按照资源属性，可将设备分成 独占设备：大多数低速字符设备，如交互终端、打印机 扫描仪等就属于独占设备。 共享设备：磁盘是共享设备的典型代表 虚拟设备:局域网中提供给多个用户共享的打印机就是使 用虚拟设备的例子,4按使用特性分类 按照设备的使用特性，可将设备分成： （1）存储设备 用来存储程序和数据，如磁盘、磁带、光盘、闪存等。 （2）输入/输出设备 用于输入或输出信息 输入设备:键盘、鼠标、扫描仪等
3、 输出设备:显示器、打印机、绘图仪等,5.1.2 设备控制器,设备控制器是位于I/O设备与CPU之间的电子部件，其主要职责是控制一个或多个I/O设备，实现设备与计算机存储器之间的数据交换。设备控制器在I/O设备与CPU之间起着接口作用，它接收来自CPU的命令，并根据收到的命令控制I/O设备完成具体的输入/输出操作，以便将CPU从繁琐的设备控制事务中解脱出来。 有了设备控制器，在进行输入/输出时，当CPU向设备控制器发出一条命令后，它便可以转向其他工作，而具体输入/输出操作在设备控制器的控制下自行完成，命令执行完毕后，再由设备控制器发出一个中断信号，通知操作系统重新获得CPU的控制权以便进行进一
4、步处理。,设备控制器分两类： 用于控制字符设备 用于控制块设备,设备控制器组成,设备控制器功能： （1）接收和识别命令 （2）数据交换 （3）地址识别 （4）标识和报告设备的状态 （5）数据缓冲 （6）差错控制,5.1.3 通道,I/O通道(I/O Channel)设备的引入 为了进一步减少CPU对输入/输出的干预，在大、中型计算机的CPU与设备控制器之间增添了新的控制部件通道。 通道又称为I/O处理器，其职责是专门负责控制输入/输出工作。通道具有自己的指令系统，通过运行由通道指令构成的通道程序控制I/O设备完成复杂的输入/输出操作。 通道是一种特殊的处理机，它与一般处理机的不同之处是：通道指
5、令比较简单，类型单一，通常只有数据传输指令和设备控制指令，每条指令一般只能实现一种功能；一般通道没有自己的内存，通道程序存放在主机的内存中，即通道与CPU共享内存。,设置通道的目的 实现真正独立的输入/输出操作，不但数据传输独立于CPU，而且输入/输出操作的组织、管理也尽量独立于CPU。 设置通道后，一些原来由CPU承担的输入/输出组织和管理任务改由通道承担，从而将CPU从繁忙的输入/输出任务中解脱出来，使CPU有更多的时间去处理其他事务。 CPU只需要向通道发出一条I/O指令，便可以转向其他运算，输入/输出则在通道的控制下进行，即通道根据收到的I/O指令，从内存中取出本次要执行的通道程序，再
6、运行该通道程序，控制I/O设备完成输入/输出任务，仅当通道完成了规定的输入/输出任务后，才向CPU发出中断信号，通知CPU进行后续处理。,系统对输入/输出操作实施三级控制 第一级：CPU执行I/O指令，启动或停止通道运行，查询通道状态； 第二级：通道接收I/O指令后，执行通道程序，向设备控制器发出命令； 第三级：设备控制器根据通道发来的命令控制设备完成输入/输出操作。,通道和设备控制器都是独立的功能部件，可以并行运行。在一台计算机中可配置多个通道，通道又可连接多个设备控制器、一个设备控制器可以连接多台同类型的设备。 多通路方式可以缓解单通路系统中的输入/输出的瓶颈问题，提高了系统的可靠性，因为
7、个别通道或控制器出现故障，不会导致设备与存储器之间的所有通路中断。,通道类型 （1）字节多路通道 这是一种按字节交叉方式工作的通道，存在多个子通道，每个子通道连接一台I/O设备的控制器，并控制该设备完成输入/输出操作。这些子通道按时间片轮转方式共享主通道，当第一个子通道控制其设备完成一个字节的输入/输出后，立即让出主通道供第二个子通道使用；当第二个子通道控制其设备完成一个字节的输入/输出后，立即让出主通道供第三个子通道使用；依此类推；当所有子通道轮转一周后，又重新从第一个子通道开始新一轮循环。 字节多路通道以字节为信息传输单位，主要用于连接大量低速外围设备，如终端、软盘驱动器、打印机、卡片机等
8、。只要字节多路通道扫描每个子通道的速度足够快，而连接到子通道上的设备速度不是太高时，便不致丢失信息。,（2）数组选择通道 字节多路通道不适于连接高速设备，而数组选择通道以数据块为信息传送单位，因此信息传输速率很高，主要用于连接高速外围设备，如磁盘机、磁带机等。 数组选择通道虽然可以连接多台设备，但由于它只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能运行一个通道程序，控制一台设备进行数据传输，因此一段时间内它只能“选择”为一台设备服务。 当通道被某台设备占用后，即使无数据传输，通道被空闲，也不允许其他设备使用该通道，直至占有通道的设备释放通道为止。数组选择通道的利用率很低。,（3）数组多路通道 将数组
9、选择通道传输速率高与字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道类型。 数组多路通道有多个子通道，每个子通道连接一台设备，子通道以分时轮转方式共享主通道，当某个子通道连通主通道时，一次可以完成一组数据传送。 数组多路通道既具有传送速率高的优点，也具有可以同时管理多台设备输入/输出的优点。数组多路通道主要用来连接中速块设备，如磁带机等。,5.2 输入/输出控制方式,随着计算机技术的发展，输入/输出控制方式也在不断发展，从早期的程序直接输入/输出控制方式逐渐发展出了中断输入/输出控制方式、DMA输入/输出控制方式和通道输入/输出控制方式。 输入/输出控制方式的整个发展
10、过程始终贯穿着一条宗旨：尽量减少CPU对输入/输出操作的干预，将CPU从繁忙的输入/输出任务中解脱出来，以便它有更多时间去完成数据处理任务。,5.2.1 程序直接输入/输出控制方式 程序直接输入/输出控制方式又称为查询方式或忙等待方式，主要应用在早期的计算机系统中。 早期的计算机系统中无中断机构，CPU对I/O设备的控制只能由程序直接控制。所谓程序直接输入/输出控制指在输入/输出过程中，CPU会一直不断地用测试指令检查I/O设备的状态，确定外围设备准备好后才在设备与内存之间传送数据。,当进程需要从输入设备读入数据时，CPU便向控制器发出一条输入指令，同时将控制器状态寄存器中的忙/闲标志置1，然
11、后便不断循环测试忙/闲标志；若忙/闲标志仍为1，则表示输入设备尚未将数据输入至控制器的数据寄存器，CPU继续测试；若忙/闲标志变为0，则表示输入设备已将将数据输入至控制器的数据寄存器中，于是CPU便将数据寄存器中的数据传送到指定内存单元，至此，完成一个字（字节）输入；若还要输入其他字（字节），则按照同样方法重复进行。,该控制方式存在问题： （1）一旦启动设备，CPU便要不断循环查询设备的状态，要暂时停止其他进程执行。 （2）不间断查询设备状态浪费了大量CPU时间，降低了CPU的利用率。 （3）在程序直接控制方式下CPU和设备是串行工作，外围设备的利用率低。,5.2.2 中断输入/输出控制方式,
12、在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。例如，从终端输入一个字符的时间约为100 ms， 而将字符送入终端缓冲区的时间小于 0.1 ms。 若采用程序I/O方式，CPU约有 99.9 ms的时间处于忙等待中。 采用中断驱动方式后，CPU可利用这 99.9 ms的时间去做其它事情，而仅用 0.1 ms的时间来处理由控制器发来的中断请求。 可见，中断驱动方式可以成百倍地提高CPU的利用率。,在中断输入/
13、输出控制方式下，设备输入/输出数据过程无需CPU干预，于是CPU与设备可以并行工作。仅当设备完成一个数据输入/输出时，才需要CPU花费很短的时间去做些中断处理。 与程序直接输入/输出控制方式相比，中断输入/输出控制方式极大地提高了CPU和设备的利用率。,5.2.3 DMA输入/输出控制方式,中断输入/输出控制方式消除了程序直接输入/输出控制方式的重复测试，但数据输入/输出仍以字（字节）为单位，即设备每完成一个字（字节）输入/输出后，控制器便要向CPU请求一次中断。 存储器与设备控制器之间转送数据仍需要CPU干预。尽管这种控制方式可以满足低速字符设备的输入/输出要求，但用于块设备的输入/输出却十
14、分低效。例如，若要从磁盘中读出1KB的数据块，则要中断1K次。对块设备的输入/输出，应采用DMA（直接存储器访问）输入/输出控制方式。,DMA输入/输出控制方式进一步减少了CPU对输入/输出过程的干预，从每传输一个字（字节）干预一次减少到每传输一个数据块干预一次。 DMA输入/输出控制方式特点： （1）数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块 （2）DMA控制器获得总线控制权，直接与内部存储器进行数据交换，CPU不介入数据传输事宜； （3）仅在数据块传送的开始和结束时CPU才进行干预 DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPU对I/O的干预，进一
15、步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。,DMA控制器的组成 三部分组成：主机与DMA控制器的接口，DMA控制器与块设备的接口，I/O控制逻辑,为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换， 必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器： (1) 命令/状态寄存器CR。 用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息， 或设备的状态。 (2) 内存地址寄存器MAR。 在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。 (3) 数据寄存器DR。 用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。 (4) 数据计数器DC。 存放本次CPU要读或写的字(节)数。,
16、DMA控制方式传输数据的步骤如下： （1）进程请求输入/输出时，CPU便向DMA控制器发出一条I/O命令，该命令被送至命令寄存器。同时，将准备存放数据的内存起始地址（或准备输出数据的内存源地址）以及要传送的字（字节）数分别存入内存地址寄存器和数据计数器，且将磁盘中的源地址（或目标地址）直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑。启动DMA控制器进行数据转送。 （2）CPU将总线让给DMA控制器，由DMA控制器获得总线控制权控制进行数据传输，在DMA控制器控制数据传输期间，CPU不使用总线。 （3）DMA控制器按照内存地址寄存器的指示，不断在控制器与内部存储器之间进行数据传输，并随时修改内存地址寄存器和数据计数器的值。当数据计数器的值减少至0时，传输停止且向CPU发出中断信号。 （4）CPU响应DMA控制器的中断请求，转向相应的中断处理程序进行善后处理。如果还有数据需要输入/输出，则按照相同方法重新启动剩余数据的传送。,5.2.4 通道输入/输出控制方式,I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预，即把对一个数据块的读(或写)为单位的干
