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1、5.1第五章第五章 设备管理设备管理 设备管理是操作系统中负责直设备管理是操作系统中负责直接处理硬件设备的部分，它对硬件接处理硬件设备的部分，它对硬件设备进行抽象，使用户程序通过操设备进行抽象，使用户程序通过操作系统完成对作系统完成对I/OI/O设备的操作。设备的操作。 基本任务：完成用户提出的基本任务：完成用户提出的I/OI/O请求，提高请求，提高I/OI/O速率以及改善速率以及改善I/OI/O设设备的利用率。备的利用率。5.25.1 概述概述5.1.1 I/O管理的重要性管理的重要性1.I/O设备就像计算机系统的五官和四肢设备就像计算机系统的五官和四肢2. I/O性能经常成为系统性能的瓶颈
2、性能经常成为系统性能的瓶颈(1)CPU性能不等于系统性能性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素响应时间也是一个重要因素(2)CPU性能越高，与性能越高，与I/O差距越大差距越大 弥补：更多的进程弥补：更多的进程(3)进程切换多，系统开销大进程切换多，系统开销大5.33.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自杂，并发，均来自I/O4.理解理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键的工作过程与结构的关键5. 与其他功能联系密切，特别是文件系统与其他功能联系密切，特别是文件系统5.45.55
3、.1.3 设备管理的目标和任务设备管理的目标和任务1.按照用户的请求按照用户的请求, 控制设备的各种操作控制设备的各种操作, 完成完成I/O设设备与内存之间的数据交换备与内存之间的数据交换, 最终完成用户的最终完成用户的I/O请请求求完成功能完成功能:(1) 设备分配与回收设备分配与回收 记录设备的状态记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型根据用户的请求和设备的类型, 采用一定的分配采用一定的分配算法算法, 选择一条数据通路选择一条数据通路 (2) 建立统一的独立于设备的接口建立统一的独立于设备的接口(3) 完成设备驱动程序，实现真正的完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作操作(4) 处理
4、外部设备的中断处理处理外部设备的中断处理(5) 管理管理I/O缓冲区缓冲区5.62. 向用户提供使用外部设备的方便接口，屏蔽了硬件向用户提供使用外部设备的方便接口，屏蔽了硬件细节细节(设备的物理细节设备的物理细节, 错误处理错误处理, 不同不同I/O的差异性的差异性)使用户摆脱繁琐的编程负担。使用户摆脱繁琐的编程负担。 方便性、方便性、 友好界面、友好界面、 透明性透明性3. 利用各种技术利用各种技术(通道通道, 中断中断, 缓冲等缓冲等)提高提高CPU与设与设备、设备与设备之间的并行工作能力备、设备与设备之间的并行工作能力, 提高资源利用提高资源利用率率 并行性并行性 均衡性（使设备充分忙碌
5、）均衡性（使设备充分忙碌）4. 保证在多道环境下保证在多道环境下, 多个进程竞争使用设备时多个进程竞争使用设备时, 按按一定策略分配和管理各种设备一定策略分配和管理各种设备,使系统能有条不紊的工使系统能有条不紊的工作作5. 保护保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的保密的5.76. 与设备无关性与设备无关性(设备独立性设备独立性) 用户在编制程序时用户在编制程序时, 使用逻辑设备名使用逻辑设备名, 由系统实由系统实现从逻辑设备到物理设备现从逻辑设备到物理设备(实际设备实际设备)的转换。的转换。 用户能独立于具体物理设备而方便的使
6、用设备用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备,用户申请使用设备时用户申请使用设备时, 只需要指定设备类型只需要指定设备类型, 而无须而无须指定具体物理设备指定具体物理设备, 系统根据当前的请求系统根据当前的请求, 及设备分及设备分配的情况配的情况, 在相同类别设备中在相同类别设备中, 选择一个空闲设备选择一个空闲设备,并将其分配给一个申请进程。并将其分配给一个申请进程。7. 统一性：统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式对不同的设备采取统一的操作方式, 在用户程序在用户程序中使用的是逻辑设备。优点是中使用的是逻辑设备。优点是:设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程序设备忙碌或设备故障时，用户
7、不必修改程序改善了系统的可适应性和可扩展性改善了系统的可适应性和可扩展性5.85.1.4 I/O系统的结构1. 微机微机I/O系统系统5.92. 具有通道的具有通道的I/O系统结构系统结构5.10总线（总线（BUS）数据总线数据总线(data bus)并行传送数据的一组线。并行传送数据的一组线。 64位位地址总线地址总线(address bus)并行传送地址的一组线。并行传送地址的一组线。 32位位控制总线控制总线(control bus)传送控制信息中的一组并行线传送控制信息中的一组并行线I/O总线（总线（BUS）当总线连接的是当总线连接的是CPU和和I/O设备时设备时, 就称它为就称它为I
8、/O总线总线Intel 80 x86微处理器只使用了微处理器只使用了32位地址总线中的位地址总线中的16 位对位对I/O设备进行寻址设备进行寻址, 使用使用64位数据总线中的位数据总线中的8位、位、 16位或位或32位传送数据。位传送数据。每个每个I/O设备都通过设备都通过设备控制器设备控制器连接到连接到I/O总线上。总线上。 CPU通过通过I/O总线的各总线的各I/O端口与不同的控制器交换端口与不同的控制器交换信息信息, 从而访问对应的设备。从而访问对应的设备。5.11PC的的I/O体系结构体系结构CPUI/O BUSI/O portI/O ControlerI/O portI/O设备设备5
9、.12I/O端口端口(I/Oport) 每个连接到每个连接到I/O总线上的设备控制器都有自己的总线上的设备控制器都有自己的I/O地址集地址集, 即一组即一组I/O端口端口, 所以每个设备对应一组端口所以每个设备对应一组端口; 在在IBM PC体系结构中体系结构中, I/O地址空间共提供了地址空间共提供了65,536个个8位位I/O端口。端口。有四条专用汇编指令允许有四条专用汇编指令允许CPU对对I/O端口进行读写。端口进行读写。即：即：in、ins、out和和outs在执行指令时在执行指令时, CPU用地址总线选择所请求的用地址总线选择所请求的I/O端端口口, 用数据总线在用数据总线在CPU和
10、设备控制器之间传送数据。和设备控制器之间传送数据。I/O端口还可以被映射到物理地址空间端口还可以被映射到物理地址空间 因此因此,处理器和处理器和I/O设备之间的通信还可直接使用设备之间的通信还可直接使用对内存进行操作的汇编指令对内存进行操作的汇编指令(例如例如: mov、and等等等等)5.13数据信号线数据信号线设备到控制器的接口设备到控制器的接口I/O 设备设备状态信号线状态信号线控制信号线控制信号线控制逻辑控制逻辑转换器转换器缓冲缓冲到设备到设备控制器控制器5.145.1.5 设备控制器设备控制器 控制器是控制器是CPU与与I/O设备之间的接口；设备之间的接口； 接收从接收从CPU发来的
11、命令发来的命令, 并控制并控制I/O设备工作。设备工作。 控制器是一个可编址设备控制器是一个可编址设备, 例如例如PC中硬盘控中硬盘控制器的制器的I/O端口地址。端口地址。 从物理上看从物理上看, 控制器是一块接口卡或主板上控制器是一块接口卡或主板上的一个功能模块的一个功能模块。5.15设备控制器的组成设备控制器的组成5.16设备控制器的功能设备控制器的功能 地址识别地址识别: 识别识别I/O端口地址端口地址, 使使I/O操作与设备对应。操作与设备对应。 接收和识别命令指挥设备执行接收和识别命令指挥设备执行 接收接收CPU通过通过I/O总线发来的命令和参数总线发来的命令和参数, 存储存储在在控
12、制器中相应的控制寄存器中控制器中相应的控制寄存器中, 并对它进行译码识别并对它进行译码识别, 转换转换成适当的电信号成适当的电信号, 通过控制器与设备的接口向设通过控制器与设备的接口向设备发送备发送, 指挥设备执行指挥设备执行特定的操作。特定的操作。 接收和记录设备的状态接收和记录设备的状态 接收接收从设备发来的电信号从设备发来的电信号, 进行进行转换转换和解释和解释, 变为变为设备的状态信息设备的状态信息, 将此结果将此结果记录记录在控制器的状态寄存在控制器的状态寄存器上器上, 供供CPU了解。了解。 数据交换数据交换 实现实现CPU控制器控制器设备设备的的数据交换数据交换, 从而实现从而实
13、现了了CPU到设备的数据传递和设备到到设备的数据传递和设备到CPU的数据传递。的数据传递。5.175.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式一、循环一、循环I/OI/O测试方式（程序测试方式（程序I/OI/O方式）方式）二、程序中断二、程序中断I/OI/O方式方式三、三、DMADMA（直接存储器访问）方式（直接存储器访问）方式四、通道技术四、通道技术5.185.2.1 程序I/O方式CPUI/OI/O CPUCPU忙等忙等循环检测循环检测I/O CPUCPU 内存内存向向I/O控制器发读命令启控制器发读命令启动输入机动输入机, 置置busy=1读读I/O控制器状态控制器状态busy检查状态检
14、查状态就绪就绪 busy=0未就绪未就绪busy=1出错出错从从I/O控制器中读入字控制器中读入字向存储器中写字向存储器中写字完成？完成？NY下条指令下条指令从从输入机读字输入机读字到到控制器控制器数据数据寄存器寄存器5.195.2.2 中断驱动中断驱动I/O 控制方式控制方式 当某进程要启动某个当某进程要启动某个I/O设备工作时设备工作时, 便由便由CPU向向相应的相应的设备控制器设备控制器发出一条发出一条I/O指令指令, 然后立即返回继然后立即返回继续执行原来的任务。续执行原来的任务。设备控制器设备控制器便按该指令的要求去便按该指令的要求去控制指定的控制指定的I/O设备。此时设备。此时,
15、CPU可以去做其它事情与可以去做其它事情与I/O设备并行工作。设备并行工作。 例如例如, 在输入时在输入时, 当当设备控制器设备控制器收到收到CPU 发来发来的读命令后的读命令后, 便去控制相应的输入设备读数据。数据便去控制相应的输入设备读数据。数据进入数据寄存器后进入数据寄存器后, 设备控制器设备控制器通过通过中断控制器中断控制器和和控控制总线向制总线向CPU发出中断信号发出中断信号, CPU响应中断响应中断, 读读设备设备控制器状态检查是否出错控制器状态检查是否出错, 若无错若无错, 则通过数据总线则通过数据总线从从设备设备控制器中读出控制器中读出数据数据, 写入存储器。写入存储器。5.2
16、0CPUI/OI/O CPUI/O CPUCPU 内存内存向向I/O控制器发读命令启动输入机控制器发读命令启动输入机读读I/O控制器状态控制器状态检查状态检查状态就绪就绪出错出错从从I/O控制器中读字控制器中读字向存储器中写字向存储器中写字完成？完成？NY下条指令下条指令从从输入机读输入机读字到字到控制器控制器数据寄存器数据寄存器CPU做其它事做其它事响应中断响应中断中断请求中断请求5.215.2.3 DMA(direct memory access)控制方式控制方式DMA控制方式的引入控制方式的引入 中断方式是以字节中断方式是以字节(字字)为单位进行为单位进行I/O的的, 每完每完成一个字节成一个字节(字字) CPU要处理一次中断要处理一次中断, 这种方法用这种方法用于块设备效率极低于块设备效率极低, 为了进一步减少为了进一步减少CPU对对I/O的干的干预预, 提高提高CPU与与I/O设备的并行度引入设备的并行度引入DMA控制方式。控制方式。 DMA方式的特点为：方式的特点为： 数据传送的基本单位是数据块。数据传送的基本单位是数据块。 数据是直接在设备数据是直接在设备内存之间传送的。
