设备管理培训课程.ppt

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1、第七章,设备管理,设备管理,设 备 管 理 （一）,设备管理是操作系统最基本、最繁杂的组成部分。且与硬件的关系最密切。,外设按功能分为两类 ,存储设备 存取控制部分（控制电路伺服系统、读写控制电路、 磁头、光头等） 信息载体 （磁盘、磁带、光盘等）,I/O设备 存储设备,I/O设备 输入设备 模拟信号 数字信号（A/D转换） 输出设备 数字信号 模拟信号（D/A转换）,设 备 管 理 （二）,设备管理的基本任务是： （1） 控制 I/O 操作，进行设备分配，提高CPU与设备之间的并行工作程度。协调和保证设备的高效工作。 （2） 向用户提供一个使用设备的方便接口。完成用户的I/O请求。,I/O

2、系统的组成 I/O 控制方式 I/O 数据传输与缓冲技术 虚拟设备与Spooling技术,主要讨论以下问题,7.1 I/O 系统的组成（一）,1。微机I/O系统 CPU通过总线与设备控制器相连接，设备 控制器是CPU 与设备之间的接口。 2。主机I/O系统 使用I/O通道（I/O处理机），实现对设备 控制器的控制。,I/O系统应该由以下部分组成： I/O设备 设备控制器 总线或通道,一、I/O 系统的结构,7.1 I/O 系统的组成（二）,2。按传消息交换的单位分类 块设备 信息存取以数据块为单位，属于有结构设备。 字符设备 信息存取以字符为单位，属于无结构设备。,3。按设备的共享属性分类 独

3、占设备 在一段时间只允许一个进程访问的设备。 共享设备 在一段时间允许多个进程同时访问的设备。 虚拟设备 使用虚拟技术，将一占设备变为逻辑 上的多台设备。,二、I/O设备及分类,1。按传输速率分类 低速设备 中速设备 高速设备,7.1 I/O 系统的组成（三）,1。设备控制器的功能 接收和识别CPU发出的命令，因此，设备控制器中设有多个寄存器，用来存放命令和参数，同时，还设有命令译码器。 实现数据交换，即CPU与控制器之间，控制器与设备之间的数据交换。 记录设备的状态，以便CPU启动控制器。为此，在控制器中设置一个状态寄存器。 识别设备地址。使CPU能够从设备控制器的寄存器中读写数据。,三、设

4、备控制器,设备控制器是CPU与设备之间的接口，接收CPU的命令，控制设备工作。,7.1 I/O 系统的组成（五）,通道（Channel） 也称 I/O处理机。 是为了减轻CPU的工作负载，在 CPU 与设备控制器之间而设置的一种专门用于 I/O 的简单处理机。 通道指令系统 也称通道控制字（CCW），是通道能够独立执行的I/O指令。,按照信息交换方式分类： 字节多路通道 用于低、中速设备 含多个非分配型的子通道，子通道按时间片轮转共享主通道。按字节传送。传输速度慢(。 数组选择通道 连接中、高速设备 含一个分配型的子通道，一段时间内只能执行、控制一台设备工作。通道利用率低，传输速度快。 数组多

5、路通道 连接中、高速设备 综合前两类的优点。,四、I/O通道,1、为什么引入通道,2、通道的类型,7.1 I/O 系统的组成（六）,中央处理机,内存,字节多路通道,成组多路通道,选择通道,卡片 输入机,卡片 输入机,打印机,磁盘,磁带,通 道 结 构,7.1 I/O 系统的组成（七）,解决“瓶颈问题”的多通路系统,3、“瓶颈问题”,由于通道及设备控制器的数量有限，可能造成I/O的瓶颈。,7.2 I/O 控制方式 （一）,（1）中断控制方式 （2）DMA 控制方式 （3）通道控制方式,设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或CPU 之间的数据传送，选择控制方式的原则是： 保证在足够的传输速度下数

6、据的正确传送。 系统开销小。 充分发挥硬件资源的能力。,本节讨论CPU 通过设备控制器来控制数据I/O的方式。,常用的I/O控制方式,7.2 I/O 控制方式（二）,一、中断控制方式,中断 当主机接到外部信号时（如 I/O完成信号）即停止 原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机 又回到原来的断点继续工作。,中断处理过程：,（向CPU）,中断源,中断请求,中断响应,转中断 处理程序,退出中断,保护CPU现场 识别中断源,恢复CPU现场,7.2 I/O 控制方式（四）,由于大多数的小型、微型计算机采用总线结构，DMA方式是“窃取”或“挪用” CPU总线的控制权，即要求CPU暂停若干总线周期，

7、由DMA控制器占有存储器周期进行设备与内存之间的数据交换。,直接存储器访问 DMA（Direct Memory Access） 方式的引入是为解决中断控制方式对块设备低效的问 题。减少中断次数。,二、DMA控制方式,1、DMA方式的基本思想,（1）以数据块为单位进行数据传送。 （2）设备与内存之间直接交换数据。,7.2 I/O 控制方式（八）,CCW的信息： 操作码 内存地址 传送数据字节数 通道程序结束位P（P =1 结束） 记录结束标志R ,通道（Channel） 是比DMA方式更加完善，功能更强的I/O 控制方式。 DMA与通道方式的异同： 相同：以内存为中心，实现设备与内存之间直接交换

8、数据 的控制方式。 不同：通道是专门控制 I/O的处理机。其指令称为通道控 制字（CCW），由CCW编制的通道程序，独立执 行I/O任务。,三、通道控制方式,1、I/O处理机,0 指令处理同一记录 1 处理记录结束,7.2 I/O 控制方式（九）,DMA方式与通道控制方式的数据传送过程有何相同和不同之处？ 画出DMA及通道控制方式的控制流程图（分别画出输入、输出两种情况）。,2、通道的控制过程： CPU启动通道 通道程序的始址存放在称为通道地址字（CAW）的内存单元中，由 CPU启动通道程序后，CPU可去执行其他任务。 执行通道指令CCW ，向设备控制器发出I/O操作命令。 设备根据CCW将数

9、据传送到内存指定单元。 数据传送结束，I/O控制器向CPU 发出中断请求命令。,思 考 题,7.3 缓冲管理（一）,1、单缓冲区（single buffer） 在设备和主机之间设置一个缓冲区。只能缓解速度匹配的问题。不能实现设备之间的并行操作。,1、缓解CPU与外设速度不匹配的问题。 2、减少CPU中断响应次数，放宽响应时间。 3、提高CPU与I/O设备，I/O设备之间的并行操作能力。 缓冲技术的基本思想： 在内存中开辟一个或多个专用区域（缓冲区），作为CPU 与I/O设备间信息的集散地。,一、为什么引入缓冲技术,二、缓冲区的组织,缓冲区,用户进程,传送,操作系统,输入,I/O设备,7.3 缓

10、冲管理（二）,一般是建立两个大小相等的缓冲区，设备交替对两个缓冲区输入数据，操作系统也交替地从两个缓冲区移出数据送用户进程区。,二、双缓冲区（double buffer）,7.3 缓冲管理（三）,三、循环缓冲（circular buffer） 循环缓冲即是多个大小相同的缓冲区构成循环队列，有三种缓冲区：空缓冲区(R)，满缓冲区(G)，正使用的缓冲区(C)。,例如：生产者消费者问题,生产者进程 Pi（P1，P2，Pk）; 消费者进程 Ci（C1，C2，Cm）。 in 指向下一空缓冲区的指针。 Out 指向下一满缓冲区的指针。 current 指向当前工作缓冲区的指针。,7.3 缓冲管理（三）,1

11、、缓冲池的结构 缓冲池由多个缓冲区构成。每个缓冲区又分为缓冲区首部和缓冲体。,四、缓冲池（buffer pool）,设备号 缓冲区号 缓冲区地址 缓冲区状态（忙/闲） 数据块号 互斥标识位 设备缓冲队列指针,缓冲区首部,将缓冲区连接成三种队列： 空缓冲区队列（emq） 满输入缓冲区队列（inq） 满输出缓冲区队列（outq）,有四类工作缓冲区： sin 提取输入的工作缓冲区 hin 收容输入数据的缓冲区 sout 提取输出的工作缓冲区 hout 收容输出数据的缓冲区,7.4 设备分配（一）,2、控制器控制表COCT（Controler Control Table） 记录I/O控制器使用情况及与

12、通道连接情况。（DMA无）,设备分配是设备管理的重要问题。讨论设备分配的数据结构，分配原则及分配算法。 一、设备分配的数据结构,1、设备控制表DCT（Device Control Table） 反映设备特性，设备与I/O控制器连接情况。,7.4 设备分配（二）,4、系统设备表SDT（System Device Table） 整个系统一张，记录已连接到系统中的设备情况，每个设备在SDT中占一表项。,3、通道控制表CHCT（Channel Control Table） 描述通道的使用情况。,针,7.4 设备分配（四）,设备分配的方式： 静态分配 一次分配所有需要的设备。不符合分配 原则。 动态分配

13、 进程执行过程中，按需分配。,设备分配总原则：充分发挥设备利用率，避免由于不合理分配引起进程死锁。 具体考虑以下方面： 1、设备的固有属性 （独占、共享、虚拟）。 2、设备分配算法（先来先服务、优先级）。 3、设备分配的安全性（安全或不安全分配方式，指是否保持“请求与保持”条件）。 4、设备独立性。,二、设备分配的原则及方式,7.4 设备分配（五）, 为了实现设备独立性，进程使用逻辑设备名。即系统为 每个进程建立一张逻辑设备表LUT（Logical Unit table）。 在VMS中，还建立了一张系统逻辑设备表。, 有利于改善资源的利用率。提供了设备分配的灵活性。 为用户程序提供了与设备无关

14、的接口，为I/O重定位提供方便，因此，提高了用户程序的可适应性。,设备独立性, LUT 包括：逻辑设备名、物理设备名、驱动程序地址。 通过LUT 实现用户程序中逻辑设备名到物理设备名的 映射。,1、逻辑设备表,设备独立性（device independence）是I/O软件的一个关键性概念，是指用户程序独立于使用的物理设备。,2、使用逻辑设备名的优点,7.4 设备分配（六）,三、设备分配流程,进程P发出I/O请求,搜索SDT找到DCT指针,查DCT 设备忙？,进程P按分配算法 入I/O队列,Y,N,按分配算法选择进程,进程P选中？,进程P等待 设备空闲,N,Y,检查设备分配的安全性,安全吗？,

15、N,Y,设备分配给进程P,1,1,搜索DCT找到COCT指针,控制器忙？,Y,进程P等待 控制器,N,分配控制器给进程P,搜索COCT找到CHCT指针,CHCT忙,Y,进程P等 待通道,N,分配通道给进程 P,启动 I/O,7.4 设备分配（七）,多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。 基本思想：用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢速度的 独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台共享设备。,SPOOLing是一种典型的虚拟设备技术， SPOOLing 是 Simultaneous Peripheral Operations On Line （外围设 备同时联机操作）的缩写，是用程序模拟脱机I/O的功能，故又称为假脱机技术。,四、虚拟设备与SPOOLing技术,2、SPOOLing 技术,1、虚拟设备管理,7.5 设备处理（一）,I/O请求的处理过程，由输入/输出控制系统IOCS完成，其中最主要的部分是设备驱动程序。它是I/O请求进程与设备控制器之间的通信程序。,1、用户进程向IOCS发出I/