計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程系.ppt

操作系統(tǒng)原理,第五章 設(shè)備管理,2,5.1 概述,5.1.1 設(shè)備的概念與分類 一基本概念 1. I/O設(shè)備：指計(jì)算機(jī)所能控制的一切控制對象及相聯(lián)系的媒體，既包括了I/O物理設(shè)備，又包括設(shè)備控制器，中斷控制器，I/O通道，虛擬設(shè)備。 2. I/O系統(tǒng)：I/O硬件和OS設(shè)備管理的I/O軟件統(tǒng)稱為I/O系統(tǒng)。 3. I/O操作：內(nèi)存與I/O設(shè)備之間的信息傳送。,3,5.1 概述,二.設(shè)備分類 1. 按從屬關(guān)系，可將外設(shè)分為： （1）系統(tǒng)設(shè)備：系統(tǒng)生成時(shí)就已登記在OS中，納入OS的管理范圍的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 例如：鍵盤，顯示器，磁盤等。 （2）用戶設(shè)備：OS生成時(shí)未登記的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，由用戶向OS提供驅(qū)動(dòng)程序以便OS代管。 例如：MS-DOS中，在系統(tǒng)配置文件config.sys,4,5.1 概述,中，使用DEVICE命令把特定的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序安裝，格式為： DEVICEC:CD-ROMIDESONYIDE.SYS 2. 按工作特性，分為： （1）I/O設(shè)備：又可分為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備，這些設(shè)備都以字符為單位I/O，也稱字符設(shè)備。 輸入設(shè)備：把信息從外設(shè)輸入到內(nèi)存的設(shè)備，如鍵盤，掃描儀，鼠標(biāo)等。,5,5.1 概述,輸出設(shè)備：把信息從內(nèi)存輸出到外設(shè)的設(shè)備，如顯示器，打印機(jī)，繪圖儀等。 （2）存儲設(shè)備：用于存儲大容量信息，又可以隨機(jī)訪問這些信息的設(shè)備，OS中作為內(nèi)存的擴(kuò)充。交換信息以成塊（組）方式，每塊固定大小，為1281024字節(jié)，也稱為塊設(shè)備。 例如：磁盤和磁帶，光盤等。 3. 按資源分配特性，分為： （1）獨(dú)占設(shè)備：一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)用戶,6,5.1 概述,使用的設(shè)備，一旦分配給某個(gè)進(jìn)程使用，就為其獨(dú)占，直到運(yùn)行完成 ，才釋放給OS。否則，不能保證信息的完整和連續(xù)性。是排它性使用。 例如：打印機(jī)，終端等多數(shù)低速的字符設(shè)備都屬于獨(dú)占設(shè)備。 （2）共享設(shè)備：一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用的設(shè)備，宏觀上它們同時(shí)使用，微觀上交替的對它進(jìn)行信息讀和寫操作。是可尋址和可隨機(jī)訪問的設(shè)備。 例如：磁盤，幾個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)交替的從一臺磁盤機(jī)上讀/寫信息。共享設(shè)備有較高的利用率，是文件系統(tǒng)的基礎(chǔ)。,7,5.1 概述,（3）虛擬設(shè)備(virtual device)：以大容量外存為支持，通過虛擬技術(shù)(spooling)將一臺獨(dú)占設(shè)備改造成共享的設(shè)備，這種改造后的設(shè)備是一種邏輯上概念上的設(shè)備，稱為虛擬設(shè)備。 例如：采用假脫機(jī)技術(shù)，用磁盤的一部分空間來代替打印機(jī)，用戶的打印操作實(shí)際上是對磁盤的寫操作，一旦打印機(jī)不忙，再從盤上取出打印，將慢速的獨(dú)占設(shè)備改造成了可共享的設(shè)備。,8,5.1 概述,5.1.2 設(shè)備管理的目標(biāo)和功能 一. 設(shè)備管理的目標(biāo) 1. 方便性 方便用戶使用計(jì)算機(jī)，使用戶從各種原始的設(shè)備使用方式中解脫出來，為此，OS提供了統(tǒng)一方便的外設(shè)使用界面，使用戶感到方便靈活的使用方式。OS隱藏了設(shè)備的物理特性，為用戶的I/O要求完成I/O程序設(shè)計(jì)，控制設(shè)備的傳送。 2. 并行性,9,5.1 概述,既要使CPU與外設(shè)之間并行工作，也要使外部設(shè)備之間并行工作，以提高設(shè)備的利用率。OS的任務(wù)是合理地分配外設(shè)，協(xié)調(diào)其關(guān)系，發(fā)揮硬件的并行性。 3. 均衡性 現(xiàn)在OS中，由于多個(gè)進(jìn)程的并發(fā)執(zhí)行，共享系統(tǒng)資源必將引起對資源的競爭，因此，設(shè)備管理既要使設(shè)備保持忙碌，又要使設(shè)備保持忙碌的均衡性。避免由于傳輸特性而忙閑不均，充分發(fā)揮外設(shè)的潛力。 例如：通過外存實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備。,10,5.1 概述,4. 獨(dú)立性 即設(shè)備無關(guān)性，用戶編程時(shí)盡量使用邏輯設(shè)備名，避免直接使用實(shí)際的設(shè)備名，由OS的設(shè)備管理建立其對應(yīng)關(guān)系?？梢越鉀Q外設(shè)故障，增加設(shè)備分配的靈活性。 二.設(shè)備管理功能 1. 設(shè)備的分配與回收 多道程序環(huán)境下，多個(gè)用戶進(jìn)程可能會同時(shí)對某一類設(shè)備提出使用請求，設(shè)備管理軟件應(yīng)按一定的算法決定把設(shè)備具體分配給哪個(gè)進(jìn) 程，分配控制器和通道,11,5.1 概述,，建立從外設(shè)到內(nèi)存之間的信息通路。 2. 地址轉(zhuǎn)換和設(shè)備驅(qū)動(dòng) OS要將用戶提供的邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換成設(shè)備的物理地址，設(shè)備管理還調(diào)用設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，啟動(dòng)外設(shè)，進(jìn)行實(shí)際的I/O操作，完成后將結(jié)果通知用戶進(jìn)程。 3. I/O中斷處理 當(dāng)信息傳送完成后或有錯(cuò)時(shí)，由DMA或通道,12,5.1 概述,等硬件發(fā)出中斷信號向CPU報(bào)告，設(shè)備管理程序?qū)⑼ㄟ^該類設(shè)備的I/O中斷服務(wù)程序分別處理。 4. 緩沖區(qū)管理 目的是解決CPU和外設(shè)速度上的差距，提高并行性。OS在內(nèi)存中開辟了緩沖區(qū)暫存信息。 例如：下圖所示,13,5.1 概述,5.1.3 I/O設(shè)備的組成 I/O設(shè)備由機(jī)械部件和電子部件二部分組成。,14,5.1 概述,一.物理設(shè)備 泛指I/O設(shè)備中為完成規(guī)定的操作必有的物理裝置，是設(shè)備的主體部分。 二.電子部件 負(fù)責(zé)接收和發(fā)送主機(jī)與物理設(shè)備之間的控制命令和I/O數(shù)據(jù)。主要有兩種形式： 1. I/O設(shè)備控制器，主要功能有： （1）端口地址譯碼：將端口發(fā)來的設(shè)備總線,15,5.1 概述,地址譯碼，以確定是哪一臺設(shè)備被系統(tǒng)選中。 （2）按規(guī)定的格式和過程，接受和發(fā)送控制信號或數(shù)據(jù)。 （3）數(shù)據(jù)的緩沖存儲：控制器中有數(shù)據(jù)緩沖寄存器，以暫存I/O數(shù)據(jù)。 （4）控制I/O設(shè)備：如啟動(dòng)，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，回車，換行等機(jī)械動(dòng)作，并且進(jìn)行數(shù)據(jù)加工。 2. I/O設(shè)備接口：主要功能有：,16,5.1 概述,（1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖，使CPU與外設(shè)在工作速度上匹配。 （2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。如并/串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。 （3）提供I/O設(shè)備和接口的狀態(tài)，使CPU根據(jù)狀態(tài)信息對外設(shè)控制。接口中設(shè)立了狀態(tài)寄存器供CPU讀取和判斷。 （4）實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外設(shè)之間的通訊聯(lián)絡(luò)控制，包括：設(shè)備選擇，操作時(shí)序控制，中斷請求，批準(zhǔn)，DMA方式請求，主機(jī)命令與I/O設(shè)備狀態(tài)交換與傳遞等。,17,5.1 概述,三. I/O接口的分類 1. 按數(shù)據(jù)傳輸寬度分類 （1）并行接口 主機(jī)與接口，接口與外設(shè)之間都是可以同時(shí)傳送多位數(shù)據(jù)（一個(gè)字節(jié)，一個(gè)字），因此并行接口的數(shù)據(jù)通路是按字或字節(jié)設(shè)置的。適用于離主機(jī)較近的設(shè)備，如打印機(jī)一般接在并行口上。 （2）串行接口（每次只傳送一位數(shù)據(jù)） 接口與主機(jī)之間按并行的方式傳遞，接口與外設(shè),18,5.1 概述,之間按串行方式，每個(gè)字節(jié)是按位依次傳遞。接口要求設(shè)立移位功能的數(shù)據(jù)緩沖器，每傳來一位移位到相應(yīng)的位上接收字位，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的并串轉(zhuǎn)換。適用于低速設(shè)備如鼠標(biāo)和調(diào)制解調(diào)器。 2. 按操作節(jié)拍分類，根據(jù)接口與CPU之間的協(xié)調(diào)關(guān)系分 （1）同步接口：按照CPU的控制節(jié)拍進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，CPU與接口，接口與外設(shè)的交換都聽從CPU的控制節(jié)拍的協(xié)調(diào)，與CPU節(jié)拍同步，操 作時(shí)間 必須與,19,5.1 概述,CPU時(shí)鐘同步，取時(shí)鐘的整數(shù)倍。 （2）異步接口：不由CPU的時(shí)鐘控制，與時(shí)鐘節(jié)拍無關(guān)，利用應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備的信息交換。CPU為主設(shè)備，向接口發(fā)出“請求”I/O信號，接口傳給設(shè)備。I/O設(shè)備為從設(shè)備，完成I/O后向主設(shè)備發(fā)“回答”信號。 3. 按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分類 （1）程序控制的I/O接口 （2）程序中斷I/O接口 （3）DMA接口（直接存儲器存取）,20,5.1 概述,5.1.4 I/O接口的概念和作用 一.接口的概念 1. 為什么設(shè)立I/O接口 （1）外設(shè)的結(jié)構(gòu)和工作原理與主機(jī)差異很大，都有單獨(dú)的時(shí)鐘，時(shí)序控制和狀態(tài)標(biāo)志。 （2）主機(jī)與外設(shè)工作速度不同，相差幾個(gè)數(shù)量級，主機(jī)在ns級而外設(shè)在秒，毫秒一級上。 （3）主機(jī)外設(shè)的數(shù)據(jù)格式不同，外設(shè)用,21,5.1 概述,ASCII碼標(biāo)識數(shù)據(jù)，而主機(jī)用二進(jìn)制碼表示數(shù)據(jù)，因此為了協(xié)調(diào)主機(jī)與外設(shè)之間的速度差異，進(jìn)行數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換，提供狀態(tài)信息，控制通訊聯(lián)絡(luò)。,22,5.2 I/O控制方式,5.2.0 數(shù)據(jù)傳送的控制方式 1. 早期的I/O系統(tǒng)是由程序控制的，外設(shè)的啟動(dòng)，停止等全由CPU通過程序控制，外設(shè)與CPU不能并行工作，設(shè)備之間不能并行工作。 2. 為了提高速度，在外設(shè)接口中增設(shè)了緩沖器，數(shù)據(jù)I/O在主存和緩沖器之間進(jìn)行，但CPU仍要停止工作等待外設(shè)數(shù)據(jù)。 3. 60年代發(fā)展了中斷概念，程序中斷來處理I/O。但中斷過分頻繁，使CPU忙于處理中斷。,23,5.2 I/O控制方式,例如：輸入機(jī)每秒傳1000個(gè)字節(jié)，要發(fā)出1000次中斷，如每次中斷處理用100s，為傳1000字節(jié)就要發(fā)生1000次中斷，所以每秒內(nèi)CPU就要用去0.1秒處理中斷。 4. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展，在I/O系統(tǒng)增設(shè)了數(shù)據(jù)reg，地址reg，計(jì)數(shù)器等，使外設(shè)和MM內(nèi)存之間不通過CPU而直接進(jìn)行，成為DMA(direct memory access)工作方式。 5. 將這些控制部分統(tǒng)一起來，具有I/O指令程序來執(zhí)行I/O的過程，就形成自成獨(dú)立體系的,24,5.2 I/O控制方式,通道結(jié)構(gòu)(channel)，使各類設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)的接口連入系統(tǒng)，形成通道方式。 數(shù)據(jù)傳送的五種控制方式如下圖所示：,25,5.2 I/O控制方式,26,5.2 I/O控制方式,5.2.1 循環(huán)I/O測試方式（程序查詢方式） 一. I/O總線 1. 總線：是連接計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各部件的共享高速通路，總線結(jié)構(gòu)是決定計(jì)算機(jī)性能，功能，可擴(kuò)展性和標(biāo)準(zhǔn)化程度的重要因素。早期微機(jī)使用ISA, EISA總線，現(xiàn)在用VESA, PCI總線。 2. I/O總線包括 （1）控制器總線：傳送控制信號，指明數(shù)據(jù),27,5.2 I/O控制方式,傳送性質(zhì)的信號（讀，寫數(shù)據(jù)寬度和數(shù)據(jù)定時(shí)信號）。 （2）地址總線：用于傳送I/O設(shè)備的地址和數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址。 （3）數(shù)據(jù)總線：用于傳送數(shù)據(jù)，狀態(tài)和指令。 二. 程序直接控制的基本概念 由計(jì)算機(jī)程序控制數(shù)據(jù)在CPU和外設(shè)之間傳輸，是在CPU主動(dòng)控制下完成的。,28,5.2 I/O控制方式,在用戶程序中安排一段由I/O指令和其它指令組成的I/O服務(wù)程序，直接控制I/O設(shè)備。 當(dāng)I/O時(shí)，CPU暫停執(zhí)行主程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行I/O服務(wù)程序，根據(jù)其中的I/O指令進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 這是一種簡單，經(jīng)濟(jì)的I/O方式，只需很少硬件，多個(gè)外設(shè)時(shí)，CPU輪流查詢多個(gè)外設(shè)的狀態(tài)，又稱為輪詢方式。 三. 接口組成,29,5.2 I/O控制方式,1. 設(shè)備選擇電路（設(shè)備地址譯碼器）：包括片選端，地址寄存器，地址譯碼器。 功能：根據(jù)設(shè)備地址碼來判別接口所接的設(shè)備是否被CPU選中。 2. 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 功能：作為CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳送的緩沖區(qū)，I/O中數(shù)據(jù)必須由它為中介。 3. 設(shè)備狀態(tài)標(biāo)志（位）（設(shè)備狀態(tài)位）,30,5.2 I/O控制方式,功能：標(biāo)志設(shè)備的工作狀態(tài)，以便接口對外設(shè)進(jìn)行監(jiān)視，它是接口中標(biāo)志觸發(fā)器，如：“忙”，“準(zhǔn)備就緒”，“錯(cuò)誤”。 四. 工作原理 1. CPU利用數(shù)據(jù)總線向接口輸出命令字，啟動(dòng)外設(shè)輸入，用測試指令先查看I/O設(shè)備狀態(tài)是否“忙”，為1表示“忙”，則需要循環(huán)檢測反復(fù)查；如為0表示不忙，將其設(shè)為“忙”，占有設(shè)備。,31,5.2 I/O控制方式,2. 接口接到CPU發(fā)來的命令后，啟動(dòng)外設(shè)輸入。 3. 輸入數(shù)據(jù)送到接口中的數(shù)據(jù)寄存器。 4. 外設(shè)I/O完成，將接口就緒位置為1。 5. CPU檢測就緒位為1。 6. 從接口的數(shù)據(jù)緩沖器讀入數(shù)據(jù)，將忙位置為0。 五. 特點(diǎn),32,5.2 I/O控制方式,1. 優(yōu)點(diǎn)：接口硬件簡單，控制方式簡單。 2. 缺點(diǎn)：CPU與外設(shè)串行工作，因?yàn)镃PU比外設(shè)速度快，要等待；循環(huán)檢測，效率很低。,33,5.2 I/O控制方式,34,5.2 I/O控制方式,其中服務(wù)子程序的功能： （1）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送，輸入：從設(shè)備將數(shù)據(jù)輸入到內(nèi)存，輸出正好相反。 （2）修改內(nèi)存地址，為下一次I/O準(zhǔn)備。 （3）修改傳送字節(jié)數(shù)，以修改傳送長度。 （4）狀態(tài)分析。 5.2.3 程序中斷方式 1. 中斷(interrupt)的定義：計(jì)算機(jī)暫停執(zhí)行當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)而執(zhí)行更緊急的程序，并能執(zhí)行結(jié),35,5.2 I/O控制方式,束后自動(dòng)恢復(fù)原被中斷的程序。 2. 程序中斷方式 的傳輸過程如下： （1）進(jìn)程請求I/O時(shí)，由程序啟動(dòng)I/O接口，I/O接口向外設(shè)發(fā)啟動(dòng)信號，啟動(dòng)外設(shè)。 （2)進(jìn)程放棄CPU，等待完成。進(jìn)程調(diào)度程序?qū)PU分配給其他進(jìn)程，與外設(shè)并行工作。 （3）I/O完成時(shí)，I/O接口通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷信號，CPU在一條指令執(zhí)行后響應(yīng)中斷，轉(zhuǎn)入管態(tài)由OS的I/O中斷服務(wù)程序處理。 （4）解除請求I/O的進(jìn)程的阻塞態(tài)，轉(zhuǎn)入就緒態(tài)，加入就緒隊(duì)列。,36,5.2 I/O控制方式,5.2.4 DMAI/O方式 中斷方式改善了CPU的利用率，但CPU仍直接控制I/O，并忙于處理I/O中斷，耗費(fèi)時(shí)間，不適合大批量數(shù)據(jù)傳送的場合，為了大批量的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，在I/O系統(tǒng)中引入了直接存儲器存取方式。 一. 概述 1. DMA方式：在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，CPU讓出總線控制權(quán)，由DMA控制器硬件從CPU中接管總線控制權(quán)，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU而直接在內(nèi)存和外設(shè)之間大批量傳送，以提高速度和傳輸效率。,37,5.2 I/O控制方式,2. CPU很少干預(yù)數(shù)據(jù)的I/O，只在數(shù)據(jù)傳送開始前，初始化DMA控制器的設(shè)備地址寄存器，內(nèi)存地址寄存器和傳送字計(jì)數(shù)器，CPU不干預(yù)數(shù)據(jù)傳送開始后的工作。 3. DMA方式的特點(diǎn) （1）DMA使內(nèi)存既可被CPU訪問，也可被快速外設(shè)（盤）訪問。 （2）由硬件完成地址確定，數(shù)據(jù)傳送，計(jì)數(shù),38,5.2 I/O控制方式,控制。 （3）內(nèi)存中開辟專用緩沖區(qū)，及時(shí)提供或接收數(shù)據(jù)。 （4）外設(shè)完全與CPU并行工作，提高系統(tǒng)效率。 二. DMA控制器的組成 （在中斷接口基礎(chǔ)上再加上DMA機(jī)構(gòu)組成） 1. 內(nèi)存地址寄存器 存放內(nèi)存交換數(shù)據(jù)的地址。DMA傳送前，用程序?qū)?shù)據(jù)塊的內(nèi)存的首地址送入。而當(dāng)DMA傳送時(shí)，每傳,39,5.2 I/O控制方式,送一次數(shù)據(jù)，地址加1，給出下一次交換的數(shù)據(jù)地址。 2. 字計(jì)數(shù)器 記錄傳送數(shù)據(jù)塊的長度（字?jǐn)?shù)）。DMA開始前，由程序預(yù)置，通常以補(bǔ)碼形式表示，每傳送一個(gè)字，加1，溢出，即最高位產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)，此數(shù)據(jù)塊傳送完畢，DMA控制器向CPU發(fā)出中斷信號。,40,5.2 I/O控制方式,3. 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 暫存每次傳送的一個(gè)字，輸入時(shí)由設(shè)備（盤）送往這里，再通過數(shù)據(jù)總線送到主存或相反。 4. DMA請求觸發(fā)器 每當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好一個(gè)數(shù)據(jù)后，給DMA控制器一個(gè)控制信號，使“DMA請求”標(biāo)志置1，通知DMA數(shù)據(jù)已就緒，該標(biāo)志置位后，向“控制/狀態(tài)”邏輯發(fā)出DMA請求， “控制/狀態(tài)”邏,41,5.2 I/O控制方式,輯向CPU發(fā)出總線使用權(quán)請求（HOLD）。 5. “控制/狀態(tài)”邏輯 由控制和時(shí)序電路以及狀態(tài)標(biāo)志等組成，用于修改內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器和字計(jì)數(shù)器，指定傳送方向（輸入或輸出），并對“DMA請求”信號和CPU響應(yīng)信號協(xié)調(diào)和同步。 6. 中斷機(jī)構(gòu) 當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出（全0）時(shí)，意味著一組數(shù),42,5.2 I/O控制方式,據(jù)交換完畢，由溢出信號觸發(fā)中斷機(jī)構(gòu)，向CPU提出中斷，請求CPU處理DMA傳送后工作。這與I/O中斷用的技術(shù)相同，但目的不同，前者為了數(shù)據(jù)I/O，而這里是為了一組數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，是不同的中斷事件。,43,5.2 I/O控制方式,44,5.2 I/O控制方式,三. DMA控制器的工作原理 1. DMA預(yù)處理 由CPU執(zhí)行I/O指令測試設(shè)備狀態(tài)，向DMA控制器發(fā)設(shè)備地址，將內(nèi)存地址存入內(nèi)存地址寄存器，字節(jié)計(jì)數(shù)存入字節(jié)計(jì)數(shù)器。設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)向DMA控制器發(fā)DMA請求，DMA控制器向CPU發(fā)DMA請求，CPU讓出總線控制權(quán)。 2. 數(shù)據(jù)傳送階段：以數(shù)據(jù)塊為單位傳送 輸入： （1）從外設(shè)中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩沖器中； （2）地址計(jì)數(shù)器內(nèi)容讀入到內(nèi)存地址寄存器，接口的數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)容讀入內(nèi)存的數(shù)據(jù)寄存器,45,5.2 I/O控制方式,（3）控制啟動(dòng)內(nèi)容的寫操作，寫入指定位置； （4）地址計(jì)數(shù)器加1，字計(jì)數(shù)器內(nèi)容減1； （5）為0時(shí)向CPU發(fā)中斷，否則循環(huán)(1)-(4)。 輸出： （1）DMA內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器內(nèi)容讀入內(nèi)存地址寄存器中；,46,5.2 I/O控制方式,（2）啟動(dòng)內(nèi)存讀操作，將內(nèi)存數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)容讀入DMA數(shù)據(jù)緩沖器中； （3）啟動(dòng)外設(shè)，將數(shù)據(jù)緩沖器內(nèi)容輸出到外設(shè) ； （4）內(nèi)存地址計(jì)數(shù)器加1，字計(jì)數(shù)器減1； （5）為0時(shí)，停止，發(fā)中斷；否則循環(huán)（1）（4）。 3. DMA后處理階段,47,5.2 I/O控制方式,DMA中斷請求得到響應(yīng)，CPU轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序完成結(jié)束處理，對數(shù)據(jù)校驗(yàn)，出錯(cuò)處理，繼續(xù)傳送否。 5.2.5 通道控制方式和外圍處理機(jī)方式 一. 通道(channel)的結(jié)構(gòu) 1. 通道：是具有特殊功能的處理機(jī)，它有自己的指令和程序，專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)I/O的傳輸控制。 2. CPU將傳輸控制權(quán)交給通道，由通道完成I/O控制，通道與CPU分時(shí)共享主存。,48,5.2 I/O控制方式,二. 通道分類 1. 字節(jié)多路通道(Byte multiplexor channel) 連接大量低速外設(shè)，如紙帶機(jī)，卡讀機(jī)，打印機(jī)等，這些設(shè)備速度很低。 字節(jié)多路通道包括多個(gè)子通道，如IBM 370通道為該類通道，有128條子通道，每個(gè)子通道服務(wù)一個(gè)設(shè)備控制器，控制多臺設(shè)備，獨(dú)立的執(zhí)行通道指令。 所有子通道共享相同的控制部件，每個(gè)子,49,5.2 I/O控制方式,通道的指令和參數(shù)存放在內(nèi)存固定的單元中，進(jìn)行I/O時(shí)從內(nèi)存讀出，送公共控制部分。 采用分時(shí)的方式控制多臺外設(shè)“并行”工作，每臺設(shè)備輪流占用通道的一個(gè)時(shí)間片，各自執(zhí)行各自的I/O。 信息傳送方式：字節(jié)交叉方式。 2. 選擇通道(selector channel) 連接高速外設(shè)，如磁盤，磁帶；,50,5.2 I/O控制方式,由于設(shè)備速率快，每次只能從所連接的外設(shè)中選擇一臺設(shè)備的通道程序執(zhí)行，獨(dú)占通道，直到I/O完成 ； 信息以成組方式高速I/O； 只能一臺設(shè)備獨(dú)占，但高速外設(shè)的尋找，延遲時(shí)長，通道要等待，利用率低。 3. 數(shù)組多路通道 連接高速外設(shè)，以成組方式I/O ；,51,5.2 I/O控制方式,可以控制多臺高速外設(shè)同時(shí)進(jìn)行控制性操作； 每一時(shí)刻只能讓一臺設(shè)備占有通道I/O； 保留了選擇通道高速傳送的優(yōu)點(diǎn)，又利用了字節(jié)多路通道分時(shí)控制外設(shè)并行進(jìn)行控制性操作，使通道充分發(fā)揮，在實(shí)際系統(tǒng)中較多應(yīng)用。 三. 通道的工作方式 通道的I/O操作由兩種指令實(shí)現(xiàn)控制：,52,5.2 I/O控制方式, I/O指令：包括啟動(dòng)I/O（SIO），查詢通道（TCH），停止I/O（HIO）等，均為特權(quán)指令。指令中，除操作碼外，還包含通道地址和設(shè)備地址。 CCW通道命令字：CCW是通道本身執(zhí)行的指令，一般有讀，寫控制和轉(zhuǎn)移等功能。 1. SIO命令格式(start I/O),53,5.2 I/O控制方式,(B1)+D1形成了存放通道號和設(shè)備號的單元地址 功能：啟動(dòng)指定的通道和設(shè)備工作。 2. CCW的格式,54,5.2 I/O控制方式,通道程序的第一個(gè)CCW的地址由通道地址字CAW(channel address word)指明，必須把相應(yīng)的CAW存入主存的（72）10號單元，在執(zhí)行SIO命令時(shí)，通道硬件根據(jù)（72）10號單元中存放的CAW得到CCW鏈的首地址，取到第一條CCW命令，執(zhí)行通道程序。CAW的格式為：,55,5.2 I/O控制方式, 03位：存儲保護(hù)鍵，此鍵信息寫入相應(yīng)通道的寄存器，當(dāng)數(shù)據(jù)寫入主存時(shí)，即檢驗(yàn)此鍵與存儲器的保護(hù)鍵是否一致，無保護(hù)鍵時(shí)，應(yīng)為0。 47位：為0。 831位：指出第一個(gè)CCW在主存的位置。 CCW命令字的格式為： 07位：通道指令碼，指出應(yīng)執(zhí)行何種,56,5.2 I/O控制方式,操作。 831位：指出主存中I/O字節(jié)地址，它是CCW所確定的存儲區(qū)的頭一單元。對讀操作表示目的地址，對寫操作表示源地址。 3236位：表示特性，通道程序的連接方式或標(biāo)志通道命令特點(diǎn)。 32位：數(shù)據(jù)鏈CD(chain data)，為1：則在計(jì)數(shù)器為0后，取下一條CCW，下一條CCW確定了新的數(shù)據(jù)地址，新的特性，新的計(jì)數(shù)，,57,5.2 I/O控制方式,但是不管新的操作碼是什么，繼續(xù)執(zhí)行原來的操作。 33位：命令鏈CC(chain command)，為1：則在計(jì)數(shù)器為0后執(zhí)行下一條CCW，新的CCW操作碼有效，程序中每條CCW除了最后一條以下，或應(yīng)給32位，或應(yīng)給33位，或者說當(dāng)32和33位全為0時(shí)，則是通道程序中的最后一條。 34位：封鎖錯(cuò)誤長度SLI(suppress length,58,5.2 I/O控制方式,indicator)，為0：如通道程序給定的字節(jié)數(shù)同I/O設(shè)備所規(guī)定的字節(jié)數(shù)不符，便向程序發(fā)出錯(cuò)誤長度信號；為1：便封鎖出錯(cuò)信號，如有些讀卡機(jī)中規(guī)定的字節(jié)數(shù)為80，而通道程序中規(guī)定的不是80，則34位置為0。 35位：封鎖寫入存儲（SKIP），該位為1時(shí)，在做讀出，反向讀出或斷定狀態(tài)的操作時(shí)，不寫入存儲器，這樣就可以掠過某些設(shè)備的某些信息，而不用在存儲器內(nèi)為它們留出位,59,5.2 I/O控制方式,置，實(shí)現(xiàn)假讀。 36位：程序控制中斷PCI(program controller interrupt)，此位為1，則只要通道一取出該CCW并開始操作，通道立即向CPU發(fā)中斷信號，該中斷屬于I/O中斷，將通道程序操作沿鏈推進(jìn)的程度用中斷方式通知CPU。 3739位應(yīng)為0，若不為0，看作通道程序出錯(cuò)。 4063位：給定該CCW所確定的存儲區(qū),60,5.2 I/O控制方式,的字節(jié)數(shù)。 3. 通道方式的I/O過程 （1）當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請求后，經(jīng)過中斷進(jìn)入OS運(yùn)行。 （2）當(dāng)前發(fā)出I/O請求的進(jìn)程被阻塞，加入該設(shè)備的阻塞隊(duì)列，等待I/O完成。 （3）通道被啟動(dòng)后，自動(dòng)到內(nèi)存（72）10單元中取出CAW中的通道程序的首地址，按此地址到內(nèi)存中取出第一條CCW執(zhí)行。,61,5.2 I/O控制方式,（4）當(dāng)執(zhí)行完一條CCW后，即計(jì)數(shù)器為0時(shí)，如果32或33特征位為1，還有下一條CCW則繼續(xù)執(zhí)行；否則傳輸完成，通道向CPU發(fā)出I/O中斷請求，同時(shí)把通道狀態(tài)字CSW(channel status word)存入內(nèi)存(64)10單元（IBM 370）。 （5）CPU響應(yīng)I/O中斷，再次轉(zhuǎn)入管態(tài)，由OS的I/O中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，根據(jù)內(nèi)存(64)10單元中的CSW分析本次中斷的原因并處,62,5.2 I/O控制方式,理。,63,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),5.3.1 緩沖技術(shù)引入 一. 引入目的 1. 緩解CPU與外設(shè)速度差距，提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性 例1：打印機(jī)的字符緩沖隊(duì)列,64,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),例2：,65,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),66,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),2. 減少I/O中斷次數(shù)和CPU的中斷處理時(shí)間,67,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),3. 解決DMA或通道方式中可能出現(xiàn)的瓶頸問題。 二. 實(shí)現(xiàn)緩沖區(qū)的方法 1. 硬件緩沖區(qū)：位于I/O接口，通道及I/O控制器以專用的數(shù)據(jù)緩沖寄存器作為緩沖區(qū)，暫存數(shù)據(jù)。但由于成本高，容量一般都小。 2. 軟件緩沖區(qū)：在內(nèi)存中開辟一片單元作為緩沖區(qū)，專用于存放I/O操作要存放的數(shù)據(jù)。,68,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),5.3.2 緩沖區(qū)的種類 1. 單緩沖區(qū)：讓輸入設(shè)備與輸出設(shè)備共用一個(gè)buffer。 適于數(shù)據(jù)到達(dá)率與離去率相差很大的情況。如輸入很慢，讀出處理很快時(shí)，二者串行工作。 缺點(diǎn)：I/O設(shè)備并行性差，效率低。,69,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),2. 雙緩沖區(qū) 為輸入和輸出分配兩個(gè)緩沖區(qū)，交替使用。 例1：,70,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),例2：解決終端設(shè)備與打印機(jī)之間的并行操作問題。,71,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),3. 緩沖池(buffer pool) 將多個(gè)大小相同的buffer連接起來，統(tǒng)一管理，每個(gè)buffer既可以用于輸入也可用于輸出的一種結(jié)構(gòu)。 OS中設(shè)立了有管理的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，定義了分配，釋放函數(shù)。緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成，每個(gè)緩沖區(qū)由兩部分組成，一一對應(yīng)。,72,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),（1）緩沖首部(buffer head)：存放緩沖區(qū)管理控制信息。如：設(shè)備號，讀/寫標(biāo)志，緩沖區(qū)首地址，I/O字節(jié)計(jì)數(shù)和與其他緩沖區(qū)首部的勾鏈指針等。 （2）緩沖區(qū)：存放數(shù)據(jù)用的緩沖體。 例：UNIX V6中，為磁盤定義了15個(gè)緩沖區(qū)的緩沖池 struct buffer ,73,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),int b-flags; 標(biāo)志字位串， （0位1：讀盤，1位1：I/O完成，2位1：I/O出錯(cuò)，3位1：忙， 6位1：忙等待， 8位1：異步I/O，9位1：延遲） struct buffer *b-forw; struct buffer *b-back; struct buffer *av-forw; struct buffer *av-back; int b-dev; 設(shè)備號,74,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),int b-wcount; 傳送字補(bǔ)碼 char *b-addr; 內(nèi)存地址，為buffer首地址 char *b-blkno; 盤物理塊號 buffer15; 5.3.3 虛擬設(shè)備 一. 問題提出 1. 提出虛擬設(shè)備的原因 （1）獨(dú)占型設(shè)備數(shù)量少，不能滿足多用戶 的使用要求；,75,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),（2）獨(dú)占型設(shè)備的工作時(shí)間短，大部分時(shí)間空閑，不能充分利用設(shè)備； （3）獨(dú)占型設(shè)備速度低，由于等待I/O而延長了程序的執(zhí)行時(shí)間； （4）獨(dú)占型設(shè)備采用分配釋放的方式，用戶獨(dú)占使用。 為此，現(xiàn)代OS提供了虛擬設(shè)備解決此問題。 2. 虛擬設(shè)備,76,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),1.定義 在一個(gè)具有大容量的直接存取的共享設(shè)備中（如盤）開辟一個(gè)區(qū)域來代替某臺獨(dú)享設(shè)備，把分散使用的信息集中起來保存在此區(qū)域中，這樣需要用獨(dú)占設(shè)備的并發(fā)進(jìn)程都分到一個(gè)區(qū)域，稱為虛擬設(shè)備。 2. 特點(diǎn) （1）由獨(dú)占設(shè)備變成共享，提高效率； （2） 增加了外圍計(jì)算機(jī)；,77,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),（3）增加了操作員的手工操作； （4）不易實(shí)現(xiàn)作業(yè)搭配運(yùn)行。 聯(lián)機(jī)外設(shè)同時(shí)操作又稱為假脫機(jī)操作，采用這種技術(shù)的OS提供虛擬設(shè)備，OS中實(shí)現(xiàn)此功能的模塊稱為Spooling系統(tǒng)(simultaneous peripheral operations on-line)。 二. Spooling系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 1. Spooling系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),78,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),79,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),2. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) （1）作業(yè)表：SPOOLing系統(tǒng)設(shè)置了一張作業(yè)表，以便登記進(jìn)入輸入井的各個(gè)作業(yè)的管理信息。下圖給出了作業(yè)表的格式。,80,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),（2）預(yù)輸入表和緩輸出表：每個(gè)作業(yè)有一張預(yù)輸入表，也稱為作業(yè)控制塊(JCB)，記錄了作業(yè)的有關(guān)信息；緩輸出表也是每個(gè)作業(yè)一張，用來登記作業(yè)產(chǎn)生的結(jié)果文件，其格式類似于預(yù)輸入表。 3. Spooling預(yù)輸入程序 功能：控制信息從設(shè)備 緩沖區(qū) 入井，為作業(yè)填寫作業(yè)表，預(yù)輸入表，分配井空間，讀入作業(yè)信息。,81,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),井中作業(yè)狀態(tài)：輸入，收容，執(zhí)行，完成。 4.井管理程序 輸入井管理程序：當(dāng)用戶作業(yè)發(fā)出讀的操作時(shí)，從井中取出信息送入主存，根據(jù)文件名查預(yù)輸入表，得文件的位置。取出信息后，井歸還OS。 輸出井管理程序：將用戶輸出結(jié)果入井，并登記緩輸出表（與預(yù)輸入表類似），包含作業(yè)名，文件名，設(shè)備類，數(shù)據(jù)始地址等。 5.緩輸出程序,82,5.3 緩沖技術(shù)和Spooling技術(shù),將井中信息從設(shè)備輸出，并回收空間，查看緩輸出表，將輸出信息 相應(yīng)設(shè)備，格式加工。,83,5.4 I/O軟件,5-4-1 I/O軟件的目標(biāo)與層次結(jié)構(gòu) 1.I/O軟件的設(shè)計(jì)目標(biāo) （1）設(shè)備無關(guān)性 這是I/O軟件的一個(gè)關(guān)鍵的目標(biāo)。設(shè)備無關(guān)性也稱為設(shè)備獨(dú)立性，是指I/O軟件與實(shí)際使用的物理設(shè)備無關(guān)。 （2）錯(cuò)誤處理 一般說來，對于I/O錯(cuò)誤應(yīng)盡可能地由靠近,84,5.4 I/O軟件,它的硬件進(jìn)行處理。 （3）同步傳輸與異步傳輸 異步傳輸：是指CPU發(fā)出I/O指令，啟動(dòng)設(shè)備傳輸后，不等待I/O完成就返回繼續(xù)運(yùn)行其他的程序。 同步傳輸：是用戶程序請求系統(tǒng)執(zhí)行I/O后，相應(yīng)的進(jìn)程則轉(zhuǎn)入阻塞態(tài)，等待I/O完成后，再繼續(xù)運(yùn)行。 2. I/O軟件的層次結(jié)構(gòu),85,5.4 I/O軟件,操作系統(tǒng)中一般把I/O軟件的結(jié)構(gòu)分成四個(gè)層次。按照由高層向低層的排列次序，這四個(gè)層次是： 用戶空間的I/O軟件 與設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 中斷處理程序 I/O系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)如下圖所示：,86,5.4 I/O軟件,87,5.4 I/O軟件,5.4.2 I/O中斷的處理 1. 操作正常結(jié)束 當(dāng)中斷的原因?yàn)橥ǖ澜Y(jié)束，控制器結(jié)束和設(shè)備結(jié)束時(shí)，表示設(shè)備已完成了預(yù)先規(guī)定的所有操作，形成了I/O操作正常結(jié)束的中斷事件。 2. 操作異常結(jié)束 當(dāng)I/O操作中發(fā)生了設(shè)備故障或者設(shè)備特殊情況時(shí)，就要產(chǎn)生操作異常結(jié)束的I/O中斷事件。,88,5.4 I/O軟件,（1）設(shè)備故障 當(dāng)執(zhí)行輸入輸出操作時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)設(shè)備本身出現(xiàn)故障，例如，硬件接口錯(cuò)、控制錯(cuò)、通道故障以及數(shù)據(jù)錯(cuò)(如校驗(yàn)碼不符合)等情況，則組織復(fù)執(zhí)。 （2）設(shè)備特殊情況 各種設(shè)備在工作中都可能出現(xiàn)一些特殊情況。例如，打印機(jī)發(fā)現(xiàn)紙已經(jīng)用完、寫磁帶時(shí)寫到了帶末點(diǎn)等等。,89,5.4 I/O軟件,5.4.3 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 1. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能 （1）根據(jù)傳送要求設(shè)置I/O接口中有關(guān)的各種控制寄存器的值。 （2）向有關(guān)的I/O設(shè)備發(fā)出控制命令，啟動(dòng)設(shè)備、通道或DMA控制器工作，并且進(jìn)行一些設(shè)備錯(cuò)誤的檢測和處理。 （3）對該類設(shè)備的I/O請求隊(duì)列、睡眠、喚,90,5.4 I/O軟件,醒等操作進(jìn)行處理。 2. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的結(jié)構(gòu) 通常，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備類型是一一對應(yīng)的，系統(tǒng)為每一種類型的設(shè)備設(shè)置一個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。 為了對驅(qū)動(dòng)子程序進(jìn)行統(tǒng)一管理，系統(tǒng)為每一類設(shè)備又設(shè)置了一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，來存放這些操作子程序的入口地址，這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)稱為設(shè)備開關(guān)表DST(Device Switch Table)。,91,5.4 I/O軟件,5.4.4 與設(shè)備無關(guān)的I/O軟件 在I/O軟件中，除了設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備的硬件特性相關(guān)以外，大部分軟件是與設(shè)備無關(guān)的。 圖5-7給出了與設(shè)備無關(guān)軟件所實(shí)現(xiàn)的典型功能。,92,5.4 I/O軟件,93,5.4 I/O軟件,1. 設(shè)備命名 I/O軟件中，對I/O設(shè)備采用了統(tǒng)一命名。設(shè)備名包含了主設(shè)備號和次設(shè)備號。 2. 設(shè)備保護(hù) 設(shè)備保護(hù)防止未授權(quán)的用戶對設(shè)備的使用或者用戶的非法使用。 3. 提供與設(shè)備無關(guān)的邏輯塊 與設(shè)備無關(guān)的軟件隱藏各種設(shè)備的空間大,94,5.4 I/O軟件,小，存取速度上的差異，而向上層軟件提供大小統(tǒng)一的邏輯塊 。 4. 緩沖 緩沖技術(shù)可以解決數(shù)據(jù)傳送過程中的瓶頸問題，提高并行程度。塊設(shè)備和字符設(shè)備