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1、第四章 设备管理 (Devices Management),设备管理是指计算机系统对除CPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理。设备管理不但要管理实际I/O操作的设备（如磁盘机、打印机），还要管理诸如设备控制器、DMA控制器、中断控制器、I/O处理机（通道）等支持设备。如何有效而又方便地管理好种类繁多的设备是设备管理的重要任务。,教学要求,了解设备的分类，熟悉设备管理的目标和功能。 熟悉程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式四种I/O的控制方式；掌握通道的概念，熟悉通道类型。 熟悉缓冲的概念，熟悉单缓冲、双缓冲和多缓冲和缓冲池工作原理，了解UNIX系统的缓冲技术。 熟悉IO系统的目标
2、-设备独立性的概念；熟悉IO软件分层结构的概念；了解UNIX设备驱动程序结构；了解中断方式I/O处理过程；掌握SPOOLing技术概念和SPOOLing系统的组成。 了解设备分配的策略；熟悉独享设备分配中数据结构。 了解磁盘结构、数据组织和磁盘的访问时间等磁盘性能，熟悉磁盘调度算法；了解独立磁盘冗余阵列（RAID）技术 。,目录,41 设备管理的概述 411 设备的分类 412 设备控制器 413 I设备管理的目标和功能 42 I/O控制方式 421 程序I/O方式 422 中断控制方式 423 DMA控制方式 424 I/O通道控制方式 43 缓冲技术 431 缓冲的引入 432 缓冲的类型
3、 433 UNIX系统的缓冲技术,目录-1,44 I/O系统软件 441 IO系统的目标-设备独立性 442 IO软件分层结构 443 UNIX设备驱动程序结构 444 中断方式I/O处理 445 用户空间的软件I/OSPOOLing系统 45 设备的分配 451 设备分配的策略 452 独享设备的分配程序,目录-2,46 磁盘I/O 461 磁盘结构 462 数据的组织 463 磁盘的访问时间 464 磁盘（移臂）调度算法 465独立磁盘冗余阵列（RAID）技术 47 Windows 2000 I/O系统 4.7.1 Windows 2000I/O系统结构 4.7.2 Windows 200
4、0延迟过程调用（DPC） 4.7.3 Windows 2000注册表 4.7.4 Windows 2000 I/O系统数据结构 4.7.5 Windows 2000设备驱动程序,目录-3,48 实验和习题 481 注册表编辑器（REGEDT32.EXE/REGEDIT.EXE）的使用 482 U盘安装实例 483磁盘I/O API函数应用 484选择题 485问答题,41 设备管理的概述,411 设备的分类 I/O设备的种类繁多，从OS观点来看，其重要的性能指标有：数据传输速率、数据的传输单位、设备的共享属性等。 1按传输速率分类 低速设备：指传输速率为每秒钟几个字节到数百个字节的设备。典型的
5、设备有键盘、鼠标、语音的输入等； 中速设备：指传输速率在每秒钟数千个字节至数十千个字节的设备。典型的设备有行式打印机、激光打印机等； 高速设备：指传输速率在数百千个字节至数兆字节的设备。典型的设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。,设备的分类-1,2按信息交换的单位分类 块设备（Block Device）：指以数据块为单位来组织和传送数据信息的设备。这类设备用于存储信息，有磁盘和磁带等。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512B4KB，磁盘设备的基本特征是：传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；它是可寻址的，即可随机地读/写任意一块；磁盘设备的I/O采用DMA方式。 字符设备（Cha
6、racter Device）：指以单个字符为单位来传送数据信息的设备。这类设备一般用于数据的输入和输出，有交互式终端、打印机等。它属于无结构设备。字符设备的基本特征是：传输速率较低；不可寻址，即不能指定输入时的源地址或输出时的目标地址；字符设备的IO常采用中断驱动方式。,设备的分类-2,3按资源分配的角度分类 独占设备：指在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，大多数低速的I/O设备，如用户终端、打印机等属于这类设备。因为独占设备属于临界资源，所以多个并发进程必须互斥地进行访问。 共享设备：指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。显然，共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备。典型的共
7、享设备是磁盘。共享设备不仅可以获得良好的设备利用率，而且是实现文件系统和数据库系统的物质基础。 虚拟设备：指通过虚拟技术将一占设备变换为若干台供多个用户（进程）共享的逻辑设备。一般可以利用假脱机技术（SPOOLing技术）实现虚拟设备。,412设备控制器,设备的电子部分叫做设备控制器或适配器。设备控制器的主要职责是控制一个或多个IO设备，以实现IO设备和计算机之间的数据交换。在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中，控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连，控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合ANSI、IEEE或ISO这样的国际标准。 设备控制器是CPU与I/O设备之间的接
8、口，它既要与CPU通信，又要与设备通信、还应具有按照CPU所发来的命令去控制设备工作的功能。,设备控制器-1,因此，现有的大多数控制器都是由以下三部分组成的：设备控制器与处理器的接口、设控制器与设备的接口、I/O逻辑。设备控制器与处理机的接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线：数据线、地址线和控制线。数据线通常与三类寄存器相连接，它们有不同的地址。第一类是数据寄存器(可能有多个)，用于存放从设备送来的数据(输入)或从CPU送来的数据(输出)；第二类是控制寄存器(也可能有多个)，用于存放从CPU送来的控制信息信息；第三类是状态寄存器(可以简单到只有一位状态位)，用于存放设备的状
9、态信息。在I/O逻辑中还有中断控制逻辑，产生中断请求线INT输出，在控制状态寄存器上有相应的中断允许位。设备控制器的内部逻辑结构和CPU、设备联系图如图4-1所示。,设备控制器的内部逻辑结构和CPU、设备联系图,413 设备管理的目标和功能,1设备管理的目标 提高设备的利用率。为此，应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，主要利用的技术有：中断技术、DMA技术、通道技术、缓冲技术。 为用户提供方便、统一的界面。所谓方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便地使用设备。所谓统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式，例如各种字符设备用一种I/O操作方式。这就要求用户操作的是
10、简便的逻辑设备，而具体的I/O物理设备由操作系统去实现，这种性能常常被称为设备的独立性。,设备管理的目标和功能-1,2. 设备管理功能 设备分配。指设备管理程序按照一定的算法把某一个I/O设备、及其相应的设备控制器和通道分配给某一用户（进程），对于未分配到的进程，则插入等待队列中。 缓冲区管理。为了解决CPU与I/O之间速度不匹配的矛盾，在它们之间配置了缓冲区。这样设备管理程序又要负责管理缓冲区的建立、分配和释放。 实现物理I/O设备的操作。对于具有通道的系统，设备管理程序根据用户提出的I/O请求，生成相应的通道程序并提交给通道，然后用专门的通道指令启动通道，对指定的设备进行I/O操作，并能响
11、应通道的中断请求。对于未设置通道的系统，设备管理程序直接驱动设备进行I/O操作。,42 I/O控制方式,随着计算机技术的发展，I/O的控制方式也在不断地发展。一般可分为：程序I/O方式、中断方式、DMA方式和通道方式。 I/O的控制方式发展的目标是尽量减少主机对I/O控制的干预。 本书设备管理涉及到2种I/O系统，主机型I/O系统和微机型I/O系统。主机型系统以内存为中心，它的体系机构如图1-1所示，由通道方式控制I/O设备与内存的数据传送。微机型系统是总线结构，它的体系机构如图1-2所示，由中断或DMA控制I/O设备与内存的数据传送。,主机I/O系统图,微机I/O系统图,A Typical
12、PC Bus Structure,Structure of a large Pentium system,主机I/O系统图,421 程序I/O方式,在早期的计算机系统中，由于没有中断机构，处理机对I/O设备直接进行控制，采取程序I/O（Programmed I/O）方式、 (Polling轮询)或称为忙-等待方式，即在CPU向设备控制器发出一条I/O指令启动I/O设备进行数据传输时，要同时把状态寄存器中的忙/闲标志busy置为1，然后便不断地循环测试busy。当busy=l时，表示该I/O设备尚未输入完一个字(符)，CPU应继续对该标志进行测试，直至busy=0，表示该I/O设备已将输入数据送
13、入到I/O控制器的数据寄存器中，于是CPU将从数据寄存器中取出数据，送入内存的指定单元，接着，再启动去读下一个数据，并置busy=l。,程序I/O方式-1,在程序I/O方式中，由于CPU的速度远远高于I/O设备，导致CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成而循环测试之中，造成了CPU的极大浪费。但是它管理简单，在要求不高的场合可以被采用。,程序I/O方式的流程,422中断控制方式,在现代计算机系统中，对I/O设备的控制，广泛地采用中断驱动(Interrupt-driven)方式，即当某进程要启动某个I/O设备时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务
14、。设备控制器便按照该命令的要求去控制I/O设备。此时， CPU与I/O设备处于并行工作状态。例如，在输入时，当设备控制器收到 CPU发来的读命令后，便准备接收从相应输入设备送来的数据。一旦数据进入数据寄存器，控制器便通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查输入过程中是否出错，若无错，便向控制器发取走数据的信号，然后便通过控制器将数据写入指定内存单元。,中断驱动方式的流程,Interrupts Revisited,How interrupts happens. Connections between devices and interrupt controller actually use
15、 interrupt lines on the bus rather than dedicated wires,中断控制方式-1,所以，中断驱动方式在I/O设备输入数据的过程中，无需 CPU干预，可以使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需 CPU花费极短的时间去进行中断处理。从而大大地提高了整个系统的资源利用率及吞吐量，特别是CPU的利用率。,423 DMA控制方式,中断驱动I/O方式虽然大大提高了主机的利用率，但是它以字（节）为单位进行数据传送，每完成一个字（节）的传送，控制器便要向CPU请求一次中断（做保存现场信息，恢复现场等工作），仍然占用了CPU的许多时间。这种方式对于
16、高速的块设备的I/O控制显然是不适合。为了进一步减少CPU对I/O的干预，引入了直接存储器访问DMA（Direct Memory Access）控制方式。 DMA方式是一种完全由硬件执行IO数据交换的工作方式，它需要使用一个专门的DMA控制器（DMAC），DMAC中有控制状态寄存器、传送字节计数器、内存地址寄存器和数据缓冲寄存器。在这种方式中，DMAC采用盗窃总线控制权的方法从CPU接管对总线的控制，成批的数据交换不经过CPU而直接在内存和IO设备之间进行。,寄存器,DMA控制方式-1,I DMA控制方式-2,DMA方式下的数据传送过程可分为三个阶段： (1) 预处理阶段：当进程要求设备输入数据时，CPU把准备存放输入数据的内存起始地址以及要传送的字节数分别送入DMAC中的内存地址寄存器和传送字节计数器。另外，还把控制状态寄存器中的中断允许位和启动位置成1，
