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1、第四章第四章 设备管理设备管理设备管理主要功能：设备管理主要功能：q 设备分配：设备分配：按照设备类型和相应的分配算法决按照设备类型和相应的分配算法决 定将定将I/O设备分配给哪一个要求该设备的进程。设备分配给哪一个要求该设备的进程。 同时还要分配相应的控制器和通道。同时还要分配相应的控制器和通道。q 设备控制；设备控制；q 缓冲的管理功能；缓冲的管理功能；q 设备独立性与虚拟设备；设备独立性与虚拟设备；1第四章第四章 设备管理设备管理一一 设备分类设备分类q 按信息组织方式：字符设备和块设备；按信息组织方式：字符设备和块设备；q 按数据传输速率：低速设备、中速设备和高速设备按数据传输速率：低
2、速设备、中速设备和高速设备q 按共享属性：独占设备、共享设备和虚拟设备。按共享属性：独占设备、共享设备和虚拟设备。2第四章第四章 设备管理设备管理二二 设备控制器设备控制器q处于处于CPU和和I/O设备之间设备之间，接收从，接收从CPU发来的命令，发来的命令，控制控制I/O设备工作，使设备工作，使CPU从设备控制事务中解脱出从设备控制事务中解脱出来。来。q是一个是一个可编址设备。可编址设备。控制一个设备时，只有一个设控制一个设备时，只有一个设备地址；控制多个设备时，有多个设备地址，使每备地址；控制多个设备时，有多个设备地址，使每一个地址对应一个设备一个地址对应一个设备。q 控制信息控制信息控制
3、寄存器控制寄存器：存放接收的：存放接收的命令和参数命令和参数。q 数据信息数据信息数据寄存器数据寄存器：存放传输的数据。：存放传输的数据。q 状态信息状态信息状态寄存器状态寄存器：记录设备状态，供：记录设备状态，供CPU查查询。询。3第四章第四章 设备管理设备管理数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据线数据线地址线地址线控制线控制线CPU与控制器接口与控制器接口控制器与设备接口控制器与设备接口状态状态控制控制数据数据数据数据状态状态控制控制CPU控制器控制器I/O设备设备4第四章第四章 设备管理设备管理三三 数据传送控制方式（数据传送控制方式（I/O控制方
4、式）控制方式）q程序直接控制方式；程序直接控制方式；q中断控制方式；中断控制方式；qDMA方式；方式；q通道方式。通道方式。5第四章第四章 设备管理设备管理1 1 程序直接控制方式程序直接控制方式:由用户进程来直接控制内存或由用户进程来直接控制内存或 CPU与外围设备之间的信息传送与外围设备之间的信息传送向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字CPUI/OI/OCPU未就绪未就绪出错出错就绪就绪I/OCPUCPU内存内存传送完成检查状态是，下一条指令是，下一条指令未完未完6第四章第四章 设备管理设备管理2 2 中断方式中断方式CPU与与I/O设备并行操作设
5、备并行操作向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态从I/O控制器中读入字向存储器中写字CPUI/O, CPU做其它事了做其它事了I/OCPU出错出错就绪就绪I/OCPUCPU内存内存传送完成检查状态是，下一条指令是，下一条指令未完未完数据进入数据寄存器，发中断数据进入数据寄存器，发中断从外部设备从外部设备读取一块数读取一块数据到存储器，据到存储器，每次读一个每次读一个字的数据。字的数据。7第四章第四章 设备管理设备管理3 3 DMA方式方式q 数据传输基本单位是数据传输基本单位是数据块数据块q 从设备从设备直接直接送入内存，或相反。送入内存，或相反。q 整块数据整块数据的传输是在控制器的控制
6、下完成的。仅的传输是在控制器的控制下完成的。仅 在开始和结束时才需在开始和结束时才需CPU干预。干预。向I/O控制器发布读块命令读DMA控制器的状态下条指令下条指令CPUDMACPU做其它事做其它事中断中断DMACPU8第四章第四章 设备管理设备管理DR 数据寄存器MAR 内存地址寄存器DC 数据计数器CR 命令/状态寄存器命令命令系统总线系统总线DMA控制器控制器内存内存主机主机控制器接口控制器接口CPU在在DMA控制器中需要四类寄存器控制器中需要四类寄存器:9第四章第四章 设备管理设备管理DMA工作过程：工作过程：设置MAR和DC初值启动DMA传送命令挪用挪用CPU工作周期传送数据字字存储
7、器地址增1数据计数器减1DC=0 ?请求中断NY每当把磁盘每当把磁盘一个数据字一个数据字读入数据寄读入数据寄存器，存器，DMA控制器取代控制器取代CPU接管地接管地址总线的控址总线的控制权。制权。使使CPU访问访问总线时速度总线时速度会变慢。会变慢。10第四章第四章 设备管理设备管理4 4 通道方式通道方式与与DMA方式相比，方式相比，通道所需的通道所需的CPU干预更少干预更少，且可，且可以做到以做到一个通道控制多台设备一个通道控制多台设备，进一步减轻了，进一步减轻了CPU的负担。的负担。I/O通道是一种特殊的处理机。通道是一种特殊的处理机。计算机I/O通道1I/O通道2控制器控制器控制器控制
8、器设备设备CPU、通道和通道和I/O设备并行工作设备并行工作11第四章第四章 设备管理设备管理工作过程：工作过程：1)CPU向向I/O通道发出一条通道发出一条I/O指令，给出所要执行的指令，给出所要执行的通道程序的首地址通道程序的首地址和和要访问的要访问的I/O设备设备。2)通道通道接到接到CPU发来的指令后，通过发来的指令后，通过执行通道程序执行通道程序便便可完成可完成CPU指定的指定的I/O任务任务通道程序：通道程序：由一系列的由一系列的通道指令通道指令所构成。所构成。每条指令包含：操作码每条指令包含：操作码、内存地址内存地址、计数计数、通道程通道程序结束位序结束位P(P=1表示指令是通道
9、程序最后一条表示指令是通道程序最后一条)、记记录结束标志录结束标志R(R=0表示指令与下一条指令所处理的表示指令与下一条指令所处理的数据同属一个记录。数据同属一个记录。12第四章第四章 设备管理设备管理四四 缓冲管理缓冲管理q 缓和缓和CPUCPU与与I/OI/O设备间速度不匹配的矛盾；设备间速度不匹配的矛盾；q 减少对减少对CPUCPU的中断频率，放宽对中断响应时间的中断频率，放宽对中断响应时间 的限制；的限制；q 提高提高CPUCPU和和I/OI/O设备中间的并行性；设备中间的并行性；13第四章第四章 设备管理设备管理1单缓冲与双缓冲单缓冲与双缓冲单缓冲是在设备和处理机之间设置一个缓冲区单
10、缓冲是在设备和处理机之间设置一个缓冲区无无法实现法实现 CPU 与设备的并行操作；提高设备并行操作与设备的并行操作；提高设备并行操作的办法可以采用双缓冲。的办法可以采用双缓冲。14第四章第四章 设备管理设备管理2 循环缓冲循环缓冲在循环缓冲中含有多个缓冲区，每个缓冲区的大在循环缓冲中含有多个缓冲区，每个缓冲区的大小相同，通过指针链接为一个循环队列。小相同，通过指针链接为一个循环队列。15第四章第四章 设备管理设备管理3 缓冲池缓冲池hinhinsoutsouthouthoutsinsin用户程序用户程序收容输入收容输入提取输出提取输出提取输入提取输入收容输出收容输出空缓冲队列空缓冲队列empe
11、mp输入队列输入队列inqinq输出队列输出队列outgoutg16第四章第四章 设备管理设备管理五五 设备分配设备分配1设备分配原则设备分配原则 设备分配的原则是根据设备分配的原则是根据设备特性设备特性、用户要求用户要求和和系统配系统配置置情况决定的。设备分配的总原则是既要情况决定的。设备分配的总原则是既要充分发挥设充分发挥设备的使用效率备的使用效率，尽可能使设备忙，但又要，尽可能使设备忙，但又要避免由于不避免由于不合理的分配方法而造成进程死锁合理的分配方法而造成进程死锁；另外还要做到；另外还要做到把用把用户程序和具体物理设备隔离开来户程序和具体物理设备隔离开来，即用户程序面对的，即用户程序
12、面对的是逻辑设备，而分配程序将在系统把逻辑设备转换成是逻辑设备，而分配程序将在系统把逻辑设备转换成物理设备之后，再根据相应的物理设备号进行分配。物理设备之后，再根据相应的物理设备号进行分配。17第四章第四章 设备管理设备管理2设备分配策略设备分配策略 与进程调度相似，动态设备分配也是基于一定的分配策略与进程调度相似，动态设备分配也是基于一定的分配策略的。常用的分配策略有的。常用的分配策略有先请求先分配先请求先分配、优先级高者优先优先级高者优先分分配策略等。配策略等。q 先请求先分配先请求先分配 当有多个进程对某一设备提出当有多个进程对某一设备提出I/O请求时，系统按提出请求时，系统按提出I/O
13、请求的先后顺序将进程发出的请求的先后顺序将进程发出的I/O请求消息排成队列。当该请求消息排成队列。当该设备空闲时，系统从该设备的请求队列的队首取下一个设备空闲时，系统从该设备的请求队列的队首取下一个I/O请求消息，将设备分配给发出这个请求消息的进程。请求消息，将设备分配给发出这个请求消息的进程。18第四章第四章 设备管理设备管理q 优先级高者先分配优先级高者先分配 这种策略中的优先数和进程的优先数是一致的，即进这种策略中的优先数和进程的优先数是一致的，即进程的优先级高，它的程的优先级高，它的I/O请求也优先予以满足。对于相请求也优先予以满足。对于相同优先级的进程来说，则按先请求先分配策略分配。
14、同优先级的进程来说，则按先请求先分配策略分配。优先级高者先分配策略把请求某设备的优先级高者先分配策略把请求某设备的I/O请求命令按请求命令按进程的优先级组成队列，从而保证在该设备空闲时，进程的优先级组成队列，从而保证在该设备空闲时，系统能从系统能从I/O请求队列取下一个具有最高优先级进程发请求队列取下一个具有最高优先级进程发来的来的I/O请求命令，并将设备分配给发出该命令的进程。请求命令，并将设备分配给发出该命令的进程。19第四章第四章 设备管理设备管理3 设备分配中使用的数据结构设备分配中使用的数据结构1) 设备控制表设备控制表DCT 系统为每一个设备都配置了一张设备控制表，用于记系统为每一
15、个设备都配置了一张设备控制表，用于记录该设备的情况。录该设备的情况。DCT1DCTiDCTn设备类型设备标识符设备状态：忙/闲重复执行次数或时间指向与之相连控制器控制表指针指向与之相连控制器控制表指针设备队列的队首指针20第四章第四章 设备管理设备管理2)控制器控制表控制器控制表COCT1. 系统为每一个控制器都设置了一张用于记录本控制系统为每一个控制器都设置了一张用于记录本控制器情况的控制器控制表。器情况的控制器控制表。控制器标识符控制器状态：忙/闲指向与控制器连接的通道表指针指向与控制器连接的通道表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针21第四章第四章 设备管理设备管理3)通道控制表
16、通道控制表CHCT1.该表只在通道控制方式的系统中存在，每个通道一张；该表只在通道控制方式的系统中存在，每个通道一张；通道标识符通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址与通道连接的控制器表首址通道队列的队首指针通道队列的队尾指针22第四章第四章 设备管理设备管理4)系统设备表系统设备表SDT 是系统范围的数据结构，其中记录了系统中全部的设是系统范围的数据结构，其中记录了系统中全部的设备情况。每个设备占一个表项。备情况。每个设备占一个表项。表项1表项i设备类型设备标识符设备控制表设备控制表DCT驱动程序入口驱动程序入口23第四章第四章 设备管理设备管理4 设备分配过程设备分配过程SDTDCTCO
17、CTCHCT一个进程只有获得了通道、控制器和所需设备三者之一个进程只有获得了通道、控制器和所需设备三者之后，才具备了进行后，才具备了进行I/O操作的物理条件。操作的物理条件。24第四章第四章 设备管理设备管理25第四章第四章 设备管理设备管理六六 设备独立性设备独立性设备独立性也称设备无关性，基本含义是：应用程序设备独立性也称设备无关性，基本含义是：应用程序独立于具体使用的物理设备，即指应用程序独立于具体使用的物理设备，即指应用程序(或者进程或者进程)中以逻辑设备名请求设备，而系统以物理设备名来分中以逻辑设备名请求设备，而系统以物理设备名来分配和使用设备。配和使用设备。逻辑设备名到物理设备名的
18、映射是通过逻辑设备表逻辑设备名到物理设备名的映射是通过逻辑设备表（Logical Unit Table,LUT）实现的。实现的。26第四章第四章 设备管理设备管理27第四章第四章 设备管理设备管理七七 虚拟设备技术虚拟设备技术SPOOLing技术技术1) SPOOLing定义定义 在多道程序环境下，系统利用一道程序来模拟脱机输入时的在多道程序环境下，系统利用一道程序来模拟脱机输入时的外围控制机，把低速输入设备上的数据传送到高速的磁盘上，外围控制机，把低速输入设备上的数据传送到高速的磁盘上，还需要利用另一道程序模拟脱机输出时的外围控制机，把高还需要利用另一道程序模拟脱机输出时的外围控制机，把高速
19、的磁盘上的数据传送到低速输出设备。这样，在速的磁盘上的数据传送到低速输出设备。这样，在CPU直接直接控制下实现脱机输入控制下实现脱机输入/输出操作，此时的外围操作与输出操作，此时的外围操作与CPU对数对数据的处理是并行进行的。相对应于前边介绍的脱机输入据的处理是并行进行的。相对应于前边介绍的脱机输入/输出，输出，我们将这样的操作称为假脱机操作，也就是我们将这样的操作称为假脱机操作，也就是SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operations On-line，外外围设备同时联机操作围设备同时联机操作)。28第四章第四章 设备管理设备管理2) SPOOLing组成组
20、成29第四章第四章 设备管理设备管理八八 设备处理设备处理1 设备驱动程序功能与特点设备驱动程序功能与特点1)设备驱动程序的功能设备驱动程序的功能q 将接受的抽象将接受的抽象I/O请求转化为具体的请求转化为具体的I/O请求。请求。q 检查检查I/O请求合法性，了解设备状态并传递相关参数，设请求合法性，了解设备状态并传递相关参数，设置设备的工作方式。置设备的工作方式。q发出发出I/O命令，启动已分配的相应设备完成指定的命令，启动已分配的相应设备完成指定的I/O操作。操作。q及时响应设备控制器或者通道的中断，并根据中断类型调及时响应设备控制器或者通道的中断，并根据中断类型调用相应中断处理程序处理。
21、用相应中断处理程序处理。q在有通道的系统中，驱动程序根据用户在有通道的系统中，驱动程序根据用户I/O请求，自动构成请求，自动构成通道程序。通道程序。 30第四章第四章 设备管理设备管理2)设备驱动程序的特点设备驱动程序的特点q 驱动程序主要是在请求驱动程序主要是在请求I/O的进程与设备控制器之间的一的进程与设备控制器之间的一个通信程序，将进程个通信程序，将进程I/O请求送到设备控制器，反馈回设请求送到设备控制器，反馈回设备控制器中记录的设备状态、备控制器中记录的设备状态、I/O完成情况。完成情况。q 驱动程序与驱动程序与I/O设备的特性紧密相关，一般情况下，各类设备的特性紧密相关，一般情况下，各类设备包括不同厂家生产的同一类设备都采用不同的驱动设备包括不同厂家生产的同一类设备都采用不同的驱动程序，有些甚至用汇编语言编成，固化在程序，有些甚至用汇编语言编成，固化在ROM中。中。q根据不同的根据不同的I/O控制方式，驱动程序驱动设备完成相应的控制方式，驱动程序驱动设备完成相应的I/O工作。比如工作。比如DMA方式可以使设备能够传送一组数据。方式可以使设备能够传送一组数据。31第四章第四章 设备管理设备管理2 设备处理流程设备处理流程32第四章第四章 设备管理设备管理用户进程独立于设备的软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O请求请求I/O完成后完成后的回答的回答33
