计算机操作系统第五章 设备管理

第五章设备管理设备管理的任务按用户需求提出的要求接入外部设备，系统按一定算法分配和管理控制，而用户不必关心设备的实际地址和控制指令.尽量提高输入输出设备的利用率，例如，发揮主机与外设以及外设与外设之间的真正并行工作能力.设备管理的功能分配设备控制和实现真正的输入输出操作对输入输出缓冲区进行管理在一些较大系统中实现虚拟设备技术5.1I/O系统♣5.1.1I/O设备1、I/O设备的类型(1)按使用特性分:存储设备,也称外存或后备存储器输入/输出设备，又可分为输入设备、输出设备和交互式设备。(2)按速度分：低速设备：键盘中速设备：打印机高速设备：磁盘。5.1I/O系统（3）按信息交换单位分：块设备：磁盘,速率高可寻址字符设备：打印机、速率低不可寻址（4）按设备的共享属性分：独占：如临界资源共享：磁盘虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟为几个逻辑设备。2、设备与控制器之间的接口三种信号：（1）数据信号：双向，有缓存（2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作（3）状态信号：设备发给控制器，后者“显示”；控制器CPUI/O设备缓冲转换器控制逻辑数据状态控制5.1I/O系统5.1.2设备控制器1、功能：接收CPU命令，控制I/O设备工作，解放CPU.接收和识别命令。应有相应的Register来存放命令（“命令寄存器”）数据交换CPU——控制器的数据寄存器——设备设备状态的了解和报告设备控制器中应用“状态寄存器”地址识别CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。数据缓冲差错控制5.1.2设备控制器2、组成设备控制器与CPU的接口信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线、控制线设备控制器与设备的接口I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。数据寄存器控制/状态寄存器控制器与设备接口l控制器与设备接口i数据状态控制地址线控制线数据线CPU与控制器接口控制器与设备接口I/O逻辑…数据状态控制…5.1.3I/O通道1、引入通道一种特殊的执行I/O指令的处理机，与CPU共享内存，可以有自己的总线。引入目的解脱CPU对I/O的组织、管理。CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。5.1.3I/O通道2、类型字节多路通道：（图5-3）各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用于低、中速设备。数组选择通道：无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独占，适于高速设备。但通道未共享，利用率低。数组多路通道：综合了前面2种通道类型的优点。控制器A控制器B控制器C控制器D控制器N…A1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备…5.1.3I/O通道3、通道“瓶颈”问题：价格贵数量少解决：采用复联方式存储器通道1通道2控制器1控制器2控制器3控制器4设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7存储器通道1通道2控制器1控制器2设备1设备2设备3设备45.1.4总线系统•微机I/O系统CPURAM/ROMI/O控制器1I/O控制器n总线ISA/EISALocalBUS：VESA/PCI。5.2I/O控制方式四个阶段：程序I/O——中断I/O——DMA控制——通道控制。趋势：减少主机对I/O控制的干预，解放CPU。5.2.1程序I/O（忙—等待方式）查询方式：CPU需花代价不断查询I/O状态（图5-7a）CPU资源浪费极大。例：99.9ms+0.1ms=100ms在5.2.1中99.9在忙等向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完中断CPU做其它事向I/O控制器发布读块命令CPU→DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA→CPU下一条指令(a)程序I/O方式(b)中断驱动方式(c)DMA方式下一条指令下一条指令5.2.2中断I/O向I/O发命令——返回——执行其它任务。I/O中断产生——CPU转相应中断处理程序。如：读数据，读完后以中断方式通知CPU，CPU完成数据从I/O——内存向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完中断CPU做其它事向I/O控制器发布读块命令CPU→DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA→CPU下一条指令(a)程序I/O方式(b)中断驱动方式(c)DMA方式下一条指令下一条指令5.2.3DMA方式—用于块设备中引入中断I/O，每完成一次“字节”传送CPU产生一次中断。DMA：由DMA控制器直接控制总线传递数据块。DMA控制器完成从I/O——内存。DMA控制器组成一组寄存器+控制逻辑。CR（命令/状态寄存器）;DR（数据寄存器）;MAR（内存地址寄存器）;DC（计数寄存器）DMA工作过程（例）：设置MAR，DC初值启动DMA传送命令传一字节MAR=MAR+1DC=DC-1dc=0请求中断在继续执行用户程序的同时，准备又一次传送出错否向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存完成未完中断CPU做其它事向I/O控制器发布读块命令CPU→DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA→CPU下一条指令(a)程序I/O方式(b)中断驱动方式(c)DMA方式下一条指令下一条指令5.2.4I/O通道控制方式DMA方式：对读取多个离散块的仍需要多次中断。通道方式：CPU只需给出（1）通道程序首址。（2）要访问I/O设备后，通道程序就可完成一组块操作操作PRecord计数内存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write112507205.3缓冲管理目的：组织管理、分配、释放buffer5.3.1引入1.缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾。如：计算——打印buffer——打印2.减少对CPU的中断频率如：buffer越大，“buffer满”信号发生频率越低。3.提高CPU和I/O并行性5.3.2单缓冲•由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行，因此处理一块数据时间：Max(C,T)+M•用户进程何时阻塞？工作区处理(C)缓冲区传送(M)输入(T)I/O设备(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用户进程5.3.2双缓冲•效率有所提高。•系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T)•收发可双向同时传送。（图5－13）工作区用户进程缓冲区1缓冲区2I/O设备T1(缓冲1)M1C1M2C2M3C3T2(缓冲2)T3(缓冲3)M4C4T4(缓冲4)(a)(b)图5-13双机通信时缓冲区的设置缓冲区缓冲区A机B机(a)单缓冲发送缓冲区接收缓冲区接收缓冲区发送缓冲区A机B机(b)双缓冲5.3.3循环多缓冲类型：R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲nextg：指示下一个应取数据的bufnexti：指示下一个空buf.RRGGGGNextg123456Nexti循环多缓冲的使用Getbuf：取nextg对应缓冲区提供使用，设置Current指针，Nextg=（Nextg+1）ModN将Nexti对应缓冲区提供使用，将Nexti置为满，Nexti=（Nexti+1）ModNReleasebuf:若C满，则改为G；若C空，则改为R；RRCGGGNextg123456NexticurrentRRGGGGNextg123456NextiRRRGGGNextg123456Nexti循环多缓冲的同步问题Nexti追上Nextg：表示输入速度输出速度，全部buf满，这时输入进程阻塞Nextg追上Nexti：输入速度输出速度，全部buf空，这时输出进程阻塞。RRRGGGNextg123456Nexti5.3.4缓冲池缓冲池：系统提供的公用缓冲一、组成：对于既可用于输入又可用于输出的公用缓冲池，其中至少应含有以下三种类型的缓冲区：①空(闲)缓冲区；②装满输入数据的缓冲区；③装满输出数据的缓冲区。3个队列：空缓冲队列emq输入队列inq输出队列outq四个工作缓冲区：hin：收容输入数据sin：提取输入数据hout：收容输出数据sout：提取输出数据二、4种工作方式1.收容输入；2.提取输入3.收容输出；4.提取输出I/OI/O用户进程12hinsoutsinhoutinqemqemqoutq435.3缓冲管理1.hin=getbuf(emq);putbuf(inq,hin)2.sin=getbuf(inq);计算；putbuf(emq,sin)3.hout=getbuf(emq);putbuf(outq,hout)4.sout=getbuf(outq);输出；putbuf(emq,sout)三、Getbuf和Putbuf过程Getbuf(type)Beginwait(RS(type));wait(MS(type));B(number):=takebuf(type);signal(MS(type));endPutbuf(type)Beginwait(MS(type));addbuf(type,number);signal(MS(type));signal(RS(type));end5.4I/O软件5.4.1I/O软件的设计目标和原则提高系统效率提高通用性，方便用户1)与具体设备无关，无需了解实现细节2)统一命名，以逻辑名称访问设备3)对错误的处理，在接近硬件的层面处理4)缓冲技术，屏蔽设备间差异5)设备的分配和释放，独占设备和共享设备6)I/O控制方式，向高层软件提供统一的操作接口+I/O软件下与硬件有着密切的关系，上与用户直接交互，它与进程管理、存储器、文件管理等都存在着一定的联系，即它们都可能需要I/O软件来实现I/O操作。在I/O软件中已普遍采用了层次式结构，将系统中的设备操作和管理软件分为若干个层次，每一层都利用其下层提供的服务，完成输入、输出功能中的某些子功能，并屏蔽这些功能实现的细节，向高层提供服务。5.4.1I/O软件的设计目标和原则(1)用户层软件：实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。(2)设备独立性软件：负责实现与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。(3)设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。(4)中断处理程序：用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后返回到被中断进程。用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O应答产生I/O请求、格式化I/O、Spooling映射、保护、分块、缓冲、分配设置设备寄存器，检查寄存器状态执行I/O操作对I/O