操作系统教程-电子教案-何樱 第4章 设备管理

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1、操作系统教程,主编 何樱 连卫民 中国水利水电出版社,第 4 章 设备管理,4.1 设备管理概述 4.2 输入输出系统 4.3 设备分配与回收 4.4 设备处理 4.5 设备管理采用的技术,4.1 设备管理概述,设备是指计算机系统中的外部设备，它包括外存、输入设备和输出设备（I/O设备）。设备管理是操作系统的主要功能之一，它是在多道程序设计环境下，研究如何让多个用户作业同时使用输入输出设备，充分发挥设备作用的问题。 4.1.1 设备管理的主要任务 设备管理的主要任务是完成用户提出的输入输出请求，为用户分配输入输出设备，提高CPU与输入输出设备的利用率，提高输入输出设备的速度，方便用户使用输入输

2、出设备。,4.1.2 设备管理的主要功能 缓冲管理 管理好各种类型的缓冲区，协调各类设备的工作速度，提高系统的使用效率。 设备分配与回收 根据用户提出的输入输出请求，为其分配所需要的设备，用户使用完后，回收分配的设备。,4.1.2 设备管理的主要功能 3.虚拟设备 把每次只允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。 4.设备处理 实现CPU和设备控制器之间的通信。,4.1.3 设备的分类 1按从属关系分 系统设备、用户设备 2按操作特性分 存储设备、输入输出设备 3按设备共享属性分 独占设备、共享设备、虚拟设备 4按信息交换单位分 字符设备、块设备,4.2 输入输出系统,4

3、.2.1 输入输出系统的结构 对于不同规模的计算机系统，其输入输出系统的结构 也有差异。通常把输入输出系统的结构分成两大类：微机 输入输出系统和主机输入输出系统。 1微机输入输出系统,从上图中可以看出，CPU和主存是直接连接到总线上的。输入输出设备是通过设备控制器连接到总线上。CPU并不直接与输入输出设备进行通信，而是与设备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。因此，设备控制器是处理器和设备之间的接口。应根据设备的类型，给设备配置与之相应的控制器，如磁盘控制器、打印机控制器等。,2主机输入输出系统 当主机所配置的输入输出设备较多时，特别是配有较多的高速外设时，采用总线型输入输出系统结构会加

4、重CPU与总线的负担。因此，在这样的输入输出系统中不宜采用单总线结构，而是增加一级输入输出通道。,其中，输入输出系统共分为4级：最低级为输入输出设备，次低级为设备控制器，次高级为输入输出通道，最高级为主机。一个通道可以控制一个设备控制器或多个设备控制器，而一个设备控制器也可以控制一个设备或多个设备。 引入通道的目的是建立独立的I/O操作，使得不仅数据传输独立于CPU，数据的传输控制也尽量独立于CPU。引入通道后，CPU只需向通道发送一条I/O指令，其他工作都由通道完成，通道工作结束后才向CPU发一个中断信号。,4.2.2 设备控制器 1设备控制器的概念 设备控制器是CPU与外围设备之间的接口，

5、是一个可 编址设备，每一个地址对应一个设备。设备控制器一般分成 两大类：用于控制字符设备的控制器和用于控制块设备的控 制器。 在微型机和小型机中，设备控制器一般都是做成电路 板的形式，插入主板的总线插槽（也叫扩展槽）内。所以， 它们俗称为“卡”，例如：显示卡、磁盘控制卡、网卡、声 卡以及其他各种外设的适配卡。有些控制器可以处理两个、 四个或八个同类设备。,2设备控制器的功能 （1）接收和识别命令。接收和识别由CPU发送来的各种命令，并对这些命令进行译码。 （2）交换数据。实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换。 （3）了解和报告设备状态。在控制器中应设立一个状态寄存器用于记录设备的各种

6、状态，以供CPU使用。 （4）识别地址。系统为每个设备配置一个地址，设备控制器要能识别这些地址。,3设备控制器的组成 由于设备控制器处于CPU与设备之间，它既要与CPU 通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU发来的命令去控 制设备工作的功能。因此，现有的大多数控制器都是由以下 三部分组成的。 （1）CPU与设备控制器的接口 （2）设备控制器与设备的接口 （3）输入输出逻辑,4.2.3 输入输出通道 1输入输出通道的概念 输入输出通道是独立于CPU的专门负责输入输出工作 的处理器。它控制设备与内存直接进行数据交换，中央处理 器可以做相应的计算操作，从而使系统获得CPU与外设的并 行处理能力。

7、2. 输入输出通道的分类 （1）字节多路通道 （2）数据选择通道 （3）数组多路通道,4.2.4 输入输出系统的控制方式 输入输出系统的控制方式，又称I/O控制方式，是指 CPU何时、怎样去驱动外设，如何控制外设与主机之间的数 据传递。随着计算机技术的发展，输入输出控制方式也在不 断发展，先后出现了四种控制方式：程序直接控制方式、中 断控制方式、直接存储器存取控制方式和通道控制方式。,1程序直接控制方式 程序直接控制方式也称为“忙等待”方式，即在一 个设备的操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状 态，直到该操作完成，才能进行下一个操作。程序直接 控制方式的步骤为： 当用户需要输入数据时，由处

8、理器向设备控制器发出一条输入输出指令，启动设备进行输入。在设备输入数据期间，处理器通过循环执行测试指令不间断地检测设备状态寄存器的值，当状态寄存器的值显示设备输入完成时，处理器将数据寄存器中的数据取出，送入主存指定的存储单元，然后再启动设备去读取下一个数据。 当用户进程需要向设备输出数据时，也必须同样发出启动命令启动设备输出，并等待输出操作完成。,程序直接控制方式虽然控制简单，也不需要多少硬件支持，但是，程序直接控制方式明显地存在下述缺点： （l）CPU和外围设备只能串行工作。由于CPU处理速度大大高于外围设备的数据传送和处理速度，所以，CPU的大量时间都处于等待和空闲状态。这使得CPU的利用

9、率大大降低； （2）CPU在一段时间内只能和一台外围设备交换数据信息，从而不能实现设备之间的并行工作； （3）由于程序直接控制方式依靠测试设备标志触发器的状态位来控制数据传送，因此无法发现和处理由于设备或其它硬件所产生的错误。,2中断控制方式 为了减少程序直接控制方式中CPU等待时间，以及 提高系统的并行工作程度，中断控制方式被用来控制外 围设备和内存与CPU之间的数据传送。 这种方式要求CPU与设备（或控制器）之间有相应 的中断请求线，而且在设备控制器的控制状态寄存器有 相应的中断允许位。 特点：中断控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每输入输出一个数据都会发生中断，传输一组数据

10、需要多次中断，浪费了CPU的处理时间。中断控制方式应用于现代计算机系统中。,3直接存储器存取控制方式（DMA） 直接存储器存取方式是指对输入输出设备的控制由 DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，设备和主存 之间可以成批地进行数据交换，而不用CPU的干涉。 特点：数据的传送方向、存放数据的主存始址及传送 数据的长度等都由CPU控制，具体的数据传送由DMA控 制器负责，每台设备需要配一个DMA控制器，这样输入 输出数据传输速度快，CPU负担少。直接存储器存取控 制方式适用于块设备的数据传输。,4直接存储器存取控制方式（DMA） 通道控制方式是一种以主存为中心，是设备与主存 直接交换数据的控制

11、方式。CPU只需要发出启动指令， 指出通道相应的操作和输入输出设备，该指令就可以启 动通道并使该通道从主存中调出相应的通道指令执行， 完成一组数据块的输入/输出。 特点：通道所需要的CPU干预更少，并可以实现 CPU、通道和输入输出设备三者之间的并行操作，从而 更有效地提高整个系统资源的利用率。通道控制方式适 用于现代计算机系统中的大量数据交换。,4.3 设备分配与回收,4.3.1 设备分配中的数据结构 为了实现对设备的管理和控制，需要对每台设备、通道、控制器的情况进行登记。设备分配主要采用的数据结构有设备控制表、控制器控制表、通道控制表和系统设备表。,1设备控制表 系统为每台设备配置一张设备

12、控制表，用于记录 设备的特性及与输入输出控制器连接的情况。设备控 制表中包括：设备标识符、设备类型、设备状态、设 备等待队列指针、输入输出控制器指针、设备相对号 、占用作业名等。 设备标识符也称为设备绝对号。它是指计算机系 统对每台设备的编号。用户对每类设备的编号称为设 备相对号，也称为设备类号。,2控制器控制表 系统为每个控制器配置了一张控制器控制表，以 反映控制器的使用状态，以及与通道的连接状况等。 其内容包括控制器标识符、控制器的状态、与控制器 连接的通道表指针、控制器队列的队首指针、通道队 列的队尾指针等。其中与控制器连接的通道表指针指 向该控制器的通道控制表。,3通道控制表 系统为每

13、个通道配置一张通道控制表，以反映通 道的使用状态。其内容包括通道标识符、通道状态、 等待获得该通道的进程等待队列指针等。 4系统设备表 系统设备表也称为设备类表，整个系统配置一张 。它记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况， 每个物理设备占一个表目，包括设备类型、拥有设备 台数、现存设备台数、设备控制表指针等。其中设备控 制表指针指向该设备对应的设备控制表。,这几张表的关系是，在系统设备表中有指向设备 控制表的指针，在设备控制表中有指向该设备控制 器控制表的指针，在控制器控制表中有指向与该控 制器连接的通道控制表的指针。系统就是通过这种 关系进行设备的分配与回收的。,4.3.2 设备分配应考

14、虑的因素 1设备的使用性质 按照设备自身的使用性质，可以采用以下三种不同的分配方式：独享分配、共享分配、虚拟分配。 独享分配适用于大多数低速设备，如打印机。 共享分配适应于高速设备，如磁盘。 虚拟分配适应于虚拟设备。根据设备的使用性质来决定一台设备可以分给几个进程。,2设备的分配算法 设备的分配算法主要是确定把设备先分给哪个进程。设备的分配算法有先来先服务和优先权两种。 先来先服务算法是根据进程发出请求的先后顺序，把这些进程排成一个设备请求队列，设备分配程序总是把设备分配给队首进程。 优先权算法是按照进程的优先权的高低进行设备分配，谁的优先权高就先把设备分给谁，对优先权相同的按照先请求先服务的

15、算法排队。,3设备分配的安全性 设备分配的安全性是指在设备分配中应防止发生进程的死锁。设备分配的安全性采用的方法有静态分配策略和动态分配策略，它们可以防止进程死锁。 （1）静态分配策略。静态分配策略是在作业级进行的，用户作业开始执行前，由系统一次分配给该作业所要求的全部设备、控制器和通道，直到该作业撤消为止。静态分配不会出现死锁，但是，设备利用率低。 （2）动态分配策略。动态分配策略是在进程执行过程中，根据执行的需要所进行的设备分配。动态分配提高了设备的利用率，但是分配不当，会造成进程的死锁。,4设备的独立性 设备的独立性是指用户在编制程序时所使用的设备与实际使用的设备无关。为此，要求用户程序

16、对输入输出设备的请求采用逻辑设备名，而在程序实际执行时使用物理设备名，它们之间的关系类似存储管理中的逻辑地址和物理地址的关系。,4.3.3 设备分配的实现 在并发进程环境中，设备分配是由系统完成的，以防 止并发进程对设备的无序竞争。当进程提出设备请求时， 系统启动设备分配程序，按照一定的算法为进程分配设备 、设备控制器和通道。 在这三种资源中，通道是最紧缺的资源，设备是最充 足的资源，所以，设备分配的步骤是：先分配设备，再分 配设备控制器，最后分配通道。,1分配设备 根据进程提出的设备名查找系统设备表，若没有 找到，则显示出错信息，并结束分配； 否则，从中找到该设备的设备控制表，查看设备 控制表中的设备状态字段。若该设备处于忙状态，则 将进程插入到该设备的等待队列；若设备空闲，便按 照一定的算法来计算本次设备分配的安全性。若分配 不会引起死锁则进行设备分配，修改设备控制表，把 状态字段的值由“0”改为进程名，并修改系统设备表 ，使“现存设备台数”减少分配的台数；否则，将该 进程插入到该设备的等待队列。,2分配设备控制器