操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1課件

1、操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 本章主要內(nèi)本章主要內(nèi)容容計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 控制計算機所有輸入/輸出設(shè)備是操作系統(tǒng)的主要功能之一。在計算機系統(tǒng)中，除了CPU和內(nèi)存之外，其他的大部分硬件設(shè)備稱為外部設(shè)備。包括常用的輸入輸出設(shè)備、外存設(shè)備以及終端設(shè)備等。這些設(shè)備種類繁多、特性各異、操作時的區(qū)別也很大，從而使得操作系統(tǒng)的設(shè)備管理變得十分復(fù)雜，因此，設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最龐雜和瑣碎的部分。操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Opera

2、ting System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.1.1 5.1.1 設(shè)備分類設(shè)備分類5.1.2 5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器5.1.3 5.1.3 設(shè)備通道設(shè)備通道計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 設(shè)備的種類和數(shù)量越來越多，結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，為了管理上的方便，通常按不同的觀點，從不同的角度對設(shè)備進行分類。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作

3、系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 設(shè)備與控制器之間的接口設(shè)備與控制器之間的接口設(shè)備通常不直接與cpu相連，而是與設(shè)備控制器相連，三種信號線。 設(shè)備與控制器間的接口 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.1.1 5.1.1 設(shè)備分類設(shè)備分類5.1.2 5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器5.1.3 5.1.3 設(shè)備通道設(shè)備通道計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 一般而言，設(shè)備由兩大部分組成：物理設(shè)備和電子部件，為了達到設(shè)計的模塊性和通用性，一般將其分開。計算機操作系統(tǒng)

4、計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12 2、設(shè)備控制器的功能、設(shè)備控制器的功能 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.1.1 5.1.1 設(shè)備分類設(shè)備分類5.1.2 5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器5.1.3 5.1.3 設(shè)備通道設(shè)備通道計算機操作系統(tǒng)計算機操

5、作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 通道技術(shù)的引入：通道技術(shù)的引入： 引入通道技術(shù)后，輸入輸出操作過程：中央處理機在執(zhí)行主程序時遇到輸入輸出請求，則它啟動指定通道上的外圍設(shè)備，一旦啟動成功，通道開始控制外圍設(shè)備進行操作。這時CPU就可執(zhí)行其它任務(wù)并與通道并行工作，直到輸入輸出操作完成。當(dāng)主機委托的I/O任務(wù)完成后，通道發(fā)出中斷信號，請求CPU處理，CPU停止當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)向處理輸入輸出操作結(jié)束事件。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operati

6、ng System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 總線型

7、I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CPU存儲器磁盤控制器打印機控制器其它控制器磁盤驅(qū)動器打印機系統(tǒng)總線計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 1. ISA和和EISA總線總線 1) ISA(Industry Standard Architecture)總線 這是為了1984年推出的80286型微機而設(shè)計的總線結(jié)構(gòu)。 其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16 Mb/s， 能連接12臺設(shè)備。 2) EISA(Extended ISA)總線 計算機操作系統(tǒng)計算

8、機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 局部總線局部總線(Local Bus) VESA(Video Electronic Standard Association)總線 2) PCI(Peripheral Component Interface)總線 操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 輸入輸出控制在計算機處理中具有重要的地位，為了有效地實現(xiàn)物理I/O操作，必須通過軟、硬件技術(shù)，對CPU和I/O設(shè)備的職能進行

9、合理分工，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)性能和硬件成本之間的矛盾。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，I/O控制方式逐漸由簡到繁，由低級到高級，其主要的發(fā)展方向是CPU與外圍系統(tǒng)并行工作。 按照I/O控制器功能的強弱，以及和CPU之間聯(lián)系方式的不同，可把I/O設(shè)備控制方式分為四類，它們的主要差別在于CPU和外圍設(shè)備并行工作的方式、并行工作的程度不同。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.2.1 5.2.1 程序直接控制程序直接控制I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中斷驅(qū)動方式中斷驅(qū)動方式5.2.3 DMA5.2.3 DMA方式方式5.2.4 5.

10、2.4 通道方式通道方式計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 程序直接控制I/O方式（programmed I/O）又稱程序查詢方式，在尚無中斷的早期計算機系統(tǒng)中，輸入輸出完全由CPU控制。在這種方式下，輸入輸出指令或詢問指令測試一臺設(shè)備的“忙/閑”標(biāo)志位，決定主存儲器和外圍設(shè)備是否交換一個字節(jié)或一個字。每傳送一個字節(jié)或一個字，CPU都要循環(huán)地執(zhí)行狀態(tài)檢查。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System

11、 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.2.1 5.2.1 程序直接控制程序直接控制I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中斷驅(qū)動方式中斷驅(qū)動方式5.2.3 DMA5.2.3 DMA方式方式5.2.4 5.2.4 通道方式通道方式計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 中斷技術(shù)的引入，是為了消除程序直接控制方式中設(shè)備驅(qū)動程序不斷地輪詢控制器狀態(tài)寄存器的開銷，進一步提高系統(tǒng)并行工作的程度。中斷技術(shù)結(jié)合在硬件中實現(xiàn)后，外圍設(shè)備有了反映其狀態(tài)的能力，僅當(dāng)I/O操作正常或異常結(jié)束后，由設(shè)備控制器“自動地”通知設(shè)備驅(qū)動程序

12、，這時才中斷CPU，實現(xiàn)了一定程度的并行操作，這就叫中斷驅(qū)動方式（interrupt-driven I/O）。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.2.1 5.2.1 程序直接控制程序直接控制I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中斷驅(qū)動方式中斷驅(qū)動方式5.2.3 DMA5.2.3 DMA方式方式5.2.4 5.2.4 通道方式通道方式計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備

13、管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 DMA DMA控制方式的引入控制方式的引入：雖然程序中斷方式消除了程序查詢方式的“忙式”測試，提高了CPU的利用率，但是CPU在響應(yīng)中斷請求后，必須停止現(xiàn)行程序轉(zhuǎn)入中斷處理程序并參與數(shù)據(jù)傳輸操作。例如，要從鍵盤輸入1KB的數(shù)據(jù)，就需要中斷1024次CPU。如果I/O設(shè)備能直接與主存交換數(shù)據(jù)而不占用CPU，那么CPU的利用率還可提高，這就出現(xiàn)了直接存儲器存取(Direct Memory Access，DMA)方式。DMA方式適用于具有DMA控制器的計算機系統(tǒng)。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1

14、DMADMA控制器至少需要以下邏輯部件：控制器至少需要以下邏輯部件：計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 DMA DMA控制方式的工作原理控制方式的工作原理 地址計數(shù)控制CPU控制器磁盤控制器主存驅(qū)動器緩沖區(qū)圖5-10 DMA 方式總線（1）CPU對DMA控制器進行編程（2）DMA請求 傳送到內(nèi)存（3）數(shù)據(jù)傳送（4）應(yīng)答(5)完成后發(fā)中斷信號計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1DMADMA方式的特點：方式的特點： 數(shù)據(jù)在內(nèi)存和設(shè)備之間直接傳送，傳送過程中不

15、需要CPU干預(yù)。 僅在一個數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束后，DMA控制器才向CPU發(fā)送中斷請求。 數(shù)據(jù)的傳送控制工作完全由DMA控制器完成，速度快，適用于高速設(shè)備的數(shù)據(jù)成組傳送。 在數(shù)據(jù)傳送過程中，CPU與外設(shè)并行工作，提高了系統(tǒng)效率。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.2.1 5.2.1 程序直接控制程序直接控制I/OI/O方式方式5.2.2 5.2.2 中斷驅(qū)動方式中斷驅(qū)動方式5.2.3 DMA5.2.3 DMA方式方式5.2.

16、4 5.2.4 通道方式通道方式計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1操作 PR計數(shù)內(nèi)存地址WRITE 0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操

17、作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要13 3通道方式處理過程通道方式處理過程 當(dāng)進程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時，CPU發(fā)出啟動指令，并指明要進行的I/O操作、使用設(shè)備的設(shè)備號和對應(yīng)的通道。 通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后，把存放在內(nèi)存的通道處理程序取出，開始執(zhí)行通道指令。 執(zhí)行一條通道指令，設(shè)置對應(yīng)設(shè)備控制器中的控制狀態(tài)寄存器。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 設(shè)備根據(jù)通道指令的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域，如果本指令不是通道處理程序的最后一條指令，取下一條通道指令，并轉(zhuǎn)繼續(xù)執(zhí)行；否則執(zhí)行。 通道處理程序執(zhí)行結(jié)束，通道向C

18、PU發(fā)中斷信號請求CPU做中斷處理。 CPU接到中斷處理信號后進行善后處理，然后返回被中斷進程繼續(xù)執(zhí)行。操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.3.1 I/O5.3.1 I/O軟件的目標(biāo)軟件的目標(biāo)5.3.2 I/O5.3.2 I/O中斷處理程序中斷處理程序5.3.3 I/O5.3.3 I/O設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序5.3.4 5.3.4 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/OI/O軟件軟件5.3.5 5.3.5 用戶空間的用戶空間的I/OI/O軟件軟件計算機操作系統(tǒng)計算機操

19、作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 I/O軟件的總體設(shè)計目標(biāo)是：高效率高效率和通用性通用性。 通常，I/O軟件設(shè)計時主要考慮以下問題：設(shè)備無關(guān)性 (Device Irrespective)、統(tǒng)一命名(Uniform Naming)、出錯處理(Error Handling)、同步(Synchronous)、緩沖(Buffering)、獨占型外圍設(shè)備和共享型外圍設(shè)備。 為了合理、高效地解決以上問題，操作系統(tǒng)通常把I/O軟件組織成以下四個層次：計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15

20、.3.1 I/O5.3.1 I/O軟件的目標(biāo)軟件的目標(biāo)5.3.2 I/O5.3.2 I/O中斷處理程序中斷處理程序5.3.3 I/O5.3.3 I/O設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序5.3.4 5.3.4 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/OI/O軟件軟件5.3.5 5.3.5 用戶空間的用戶空間的I/OI/O軟件軟件計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 中斷處理程序是緊挨硬件的最內(nèi)層軟件，是與硬件設(shè)備密切相關(guān)的軟件。所以中斷是應(yīng)該盡量加以屏蔽的概念，放在操作系統(tǒng)的底層進行處理，以便其余部分盡可能少地與之發(fā)生聯(lián)系。每個進程在啟動一個I/O

21、操作后將阻塞，然后等待I/O操作的完成。當(dāng)I/O操作完成并產(chǎn)生一個中斷時，由操作系統(tǒng)接管CPU后轉(zhuǎn)中斷處理程序執(zhí)行，中斷處理程序執(zhí)行相應(yīng)的處理，并解除相應(yīng)進程的阻塞狀態(tài)。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1中斷處理程序的處理過程中斷處理程序的處理過程: 1. 喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程 2. 保護被中斷的CPU環(huán)境 3. 轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序 4. 中斷處理5. 恢復(fù)中斷進程的現(xiàn)場計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1中斷現(xiàn)場保護示意圖 PSW程序狀態(tài)字P

22、C(N1)程序計數(shù)器R0Rn寄存器開始返回用戶程序中斷服務(wù)子例程PSWPC(N1)中斷棧TTM線指針YNN1R0Rn計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進程對被中斷進程的CPU環(huán)境進行保護分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序終端中斷處理程序打印機中斷處理程序磁盤中斷處理程序恢復(fù)被中斷進程的CPU現(xiàn)場返回被中斷的進程，繼續(xù)執(zhí)行中斷請求信號中斷處理流程計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.3.1 I/O5.3.1 I/O軟件的目標(biāo)軟件的目

23、標(biāo)5.3.2 I/O5.3.2 I/O中斷處理程序中斷處理程序5.3.3 I/O5.3.3 I/O設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序5.3.4 5.3.4 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/OI/O軟件軟件5.3.5 5.3.5 用戶空間的用戶空間的I/OI/O軟件軟件計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 不同設(shè)備的控制器中寄存器的個數(shù)以及能夠識別的命令的性質(zhì)有著本質(zhì)的不同，所以每個連接到計算機上的I/O設(shè)備都需要某些特定的代碼來對其控制，這樣的代碼稱為設(shè)備驅(qū)動程序（Device Driver），它一般由設(shè)備的制造商編寫并連同設(shè)備一起交付。

24、因為每一個操作系統(tǒng)都需要自己的設(shè)備驅(qū)動程序，所以設(shè)備制造商通常要為不同的操作系統(tǒng)提供驅(qū)動程序。設(shè)備驅(qū)動程序中包括了所有與設(shè)備相關(guān)的代碼，是直接與硬件打交道的模塊。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)中的邏輯定位設(shè)備驅(qū)動程序在系統(tǒng)中的邏輯定位用戶程序核心I/O子系統(tǒng)打印機驅(qū)動程序掃描儀驅(qū)動程序CD-ROM驅(qū)動程序打印機控制器掃描儀控制器CD-ROM控制器用戶進程設(shè)備驅(qū)動程序接口 用戶空間內(nèi)核空間設(shè)備硬

25、件操作系統(tǒng)內(nèi)核計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 設(shè)備驅(qū)動程序的組成 設(shè)備驅(qū)動程序的注冊與注銷。 設(shè)備的打開與釋放。 設(shè)備的讀/寫操作 設(shè)備的控制操作。 設(shè)備的中斷或輪詢處理。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1(3)設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程設(shè)備驅(qū)

26、動程序的處理過程 將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2. 檢查檢查I/O請求的合法性請求的合法性 3. 讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4. 傳送必要的參數(shù)傳送必要的參數(shù) 5. 工作方式的設(shè)置工作方式的設(shè)置 6. 啟動啟動I/O設(shè)備設(shè)備 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.3.1 I/O5.3.1 I/O軟件的目標(biāo)軟件的目標(biāo)5.3.2 I/O5.3.2 I/O中斷處理程序中斷處理程序5.3.3 I/O5.3.3 I/O設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序5.3.4 5.3.4 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/O

27、I/O軟件軟件5.3.5 5.3.5 用戶空間的用戶空間的I/OI/O軟件軟件計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 1. 設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性(Device Independence)的概念的概念 為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴展性，在現(xiàn)代OS中都毫無例外地實現(xiàn)了設(shè)備獨立性，也稱為設(shè)備無關(guān)性。 其基本含義是： 應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。為了實現(xiàn)設(shè)備獨立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個概念。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 在實現(xiàn)了設(shè)備獨立性的功

28、能后， 可帶來以下兩方面的好處。 1) 設(shè)備分配時的靈活性 2) 易于實現(xiàn)I/O重定向 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 設(shè)備獨立性軟件設(shè)備獨立性軟件 1) 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作 對獨立設(shè)備的分配與回收； 將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名； 對設(shè)備進行保護； 緩沖管理； 差錯控制。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12) 向用戶層向用戶層(或文件層或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口軟件提供統(tǒng)一接口 無論何種設(shè)備， 它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。 例如，

29、 對各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read; 而對各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要13. 邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn) 邏輯設(shè)備表（三項）2) LUT的設(shè)置問題（兩種）系統(tǒng)中只有一張LUT每個用戶有一張LUT邏輯設(shè)備表 邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址/dev/tty/dev/printer3510242046邏輯設(shè)備名/dev/tty/dev/printer系統(tǒng)設(shè)備表指針35(a)(b)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating

30、System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.3.1 I/O5.3.1 I/O軟件的目標(biāo)軟件的目標(biāo)5.3.2 I/O5.3.2 I/O中斷處理程序中斷處理程序5.3.3 I/O5.3.3 I/O設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序5.3.4 5.3.4 與設(shè)備無關(guān)的與設(shè)備無關(guān)的I/OI/O軟件軟件5.3.5 5.3.5 用戶空間的用戶空間的I/OI/O軟件軟件計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 盡管大部分I/O軟件在操作系統(tǒng)中，但用戶空間也有一小部分，通常它們以庫函數(shù)的形式出現(xiàn)，甚至是在核心外運行的完整程序。例如用戶編寫

31、的C程序中可以使用標(biāo)準(zhǔn)I/O 庫函數(shù)，經(jīng)編譯以后，用戶程序就和相應(yīng)的庫函數(shù)鏈接在一起了，然后裝入內(nèi)存運行。而庫函數(shù)代碼中要使用系統(tǒng)調(diào)用（其中包括I/O系統(tǒng)調(diào)用），經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)用進入操作系統(tǒng)，為用戶提供相應(yīng)的服務(wù)。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 1. SPOOLing 為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機輸入、 脫機輸出技術(shù)。 該技術(shù)是利用專門的外圍控制機， 將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反。事實上， 當(dāng)系統(tǒng)中引入了多道程序技術(shù)后，完全可以利用其中的一道程序，來模擬脫機輸入時的外

32、圍控制機功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機輸出時外圍控制機的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。這樣，便可在主機的直接控制下，實現(xiàn)脫機輸入、 輸出功能。 此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進行， 我們把這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或稱為假脫機操作。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. SPOOLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 SPOOLing系統(tǒng)的組成 計算機操作

33、系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要13. 共享打印機共享打印機 共享打印機技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中。 當(dāng)用戶進程請求打印輸出時， SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出， 但并不真正立即把打印機分配給該用戶進程， 而只為它做兩件事： 由輸出進程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)， 并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中； 輸出進程再為用戶進程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中， 再將該表掛到請求打印隊列上。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1

34、4. SPOOLing系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點 提高了I/O的速度。 (2) 將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備。 (3) 實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1應(yīng)用進程應(yīng)用進程設(shè)備無關(guān)設(shè)備無關(guān)中斷處理程序中斷處理程序設(shè)備控制器設(shè)備控制器命令命令狀態(tài)狀態(tài)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)系統(tǒng)接口系統(tǒng)接口硬件接口硬件接口設(shè)備管理的層次結(jié)構(gòu)設(shè)備管理的層次結(jié)構(gòu)文件文件管理器管理器設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)備驅(qū)動程序I/O 請求請求I/O 應(yīng)答應(yīng)答進行進行I I / / O O 調(diào)用調(diào)用格式化格式化I I / / O OSPOOLINGSPOOLING命名命名保護

35、保護阻塞阻塞緩沖緩沖分配分配建立設(shè)備寄存器建立設(shè)備寄存器檢查狀態(tài)檢查狀態(tài)控制設(shè)備控制設(shè)備執(zhí)行執(zhí)行I/O 操作操作當(dāng)當(dāng) I/ O結(jié)束時結(jié)束時， 喚醒驅(qū)動程序喚醒驅(qū)動程序操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.4.1 5.4.1 緩沖的引入緩沖的引入5.4.2 5.4.2 單緩沖單緩沖5.4.3 5.4.3 雙緩沖雙緩沖5.4.4 5.4.4 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.5 5.3.5 緩沖池緩沖池計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備

36、管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 在設(shè)備管理中，引入緩沖區(qū)的主要原因主要原因： 緩沖有硬緩沖硬緩沖和軟緩沖軟緩沖之分計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.4.1 5.4.1 緩沖的引入緩沖的引入5.4.2 5.4.2 單緩沖單緩沖5.4.3 5.4.3 雙緩沖雙緩沖5.4.4 5.4.4 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.5 5.3.5 緩沖池緩沖池計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概

37、要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.4.1 5.4.1 緩沖的引入緩沖的引入5.4.2 5.4.2 單緩沖單緩沖5.4.3 5.4.3 雙緩沖雙緩沖5.4.4 5.4.4 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.5 5.3.5 緩沖池緩沖池計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.4.1 5.4.1 緩沖的引入緩沖的引入5.4.2 5.4.2 單緩沖單緩沖5.4.3 5.4.3 雙緩沖雙緩沖5.4.4 5.4.4 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.5 5.

38、3.5 緩沖池緩沖池計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 循環(huán)緩沖的組成循環(huán)緩沖的組成計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.4.1 5.4.1 緩沖的引入緩沖的引入5.4.2 5.4.2 單緩沖單緩沖5.4.3 5.4.3 雙緩沖雙緩沖5.4.4

39、 5.4.4 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖5.3.5 5.3.5 緩沖池緩沖池計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 Getbuf過程和過程和Putbuf過程過程 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1Procedure Putbuf(type, number)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1

40、緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 在計算機系統(tǒng)中，設(shè)備、控制器和通道等資源是有限的，并不是每個進程隨時都可以得到這些資源。在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備供所有進程使用，為防止諸進程對系統(tǒng)資源的無序使用，系統(tǒng)規(guī)定設(shè)備由系統(tǒng)統(tǒng)一分配，以提高設(shè)備利用率并避免死鎖。每當(dāng)進程向系統(tǒng)提出I/O請求時，只要是可能的和安全的，設(shè)備分配程序便把設(shè)備分配給它，必要時還可能要分配控制器和通道，分配的順序是：分配設(shè)備、分配控制器、分配通道。 計算機操作系

41、統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.5.1 5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.5.2 5.5.2 設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性5.5.3 5.5.3 設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配技術(shù)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要11. 設(shè)備控制表設(shè)備控制表DCT 設(shè)備控制表 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 控制器控制表、控制器控制表、 通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表 COCT、

42、 CHCT和SDT表 (c) 系統(tǒng) 設(shè) 備 表 SDT控制器標(biāo)識符：controllerid控制器狀態(tài)：忙/閑與控制器連接的通道表指針控制器隊列的隊首指針控制器隊列的隊尾指針通道標(biāo)識符：channelid通道狀態(tài)：忙/閑與通道連接的控制器表首址通道隊列的隊首指針通道隊列的隊尾指針(a) 控制器表 COCT(b) 通道表 CHCT表目 1表目 i設(shè)備類設(shè)備標(biāo)識符DCT驅(qū)動程序入口計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.5.1 5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.5.2 5.5.2 設(shè)備分配考慮的因素設(shè)備分配

43、考慮的因素5.5.3 5.5.3 設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配技術(shù)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要11. 設(shè)備的固有屬性設(shè)備的固有屬性 獨享設(shè)備。（獨占設(shè)備，設(shè)備不能充分利用） (2) 共享設(shè)備。（考慮先后次序） (3) 虛擬設(shè)備。 （考慮先后次序）計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 設(shè)備分配算法設(shè)備分配算法 先來先服務(wù)。 (2) 優(yōu)先級高者優(yōu)先。 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要13

44、. 設(shè)備分配中的安全性設(shè)備分配中的安全性 安全分配方式 不安全分配方式 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.5.1 5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.5.2 5.5.2 設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性5.5.3 5.5.3 設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配技術(shù)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating Sy

45、stem 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要14.4.設(shè)備分配程序設(shè)備分配程序操作系統(tǒng)原理操作系統(tǒng)原理 Operating System 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要15.6.1 5.6.1 磁盤的物理性能磁盤的物理性能5.6.2 5.6.2 磁盤調(diào)度算法磁盤調(diào)度算法5.6.3 5.6.3 磁盤調(diào)度算法的比較磁盤調(diào)度算法的比較5.6.4 5.6.4 磁盤的錯誤處理磁盤的錯誤處理5.6.5 5.6.5 獨立磁盤冗余陣列獨立磁盤冗余陣列 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理

46、概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1磁盤磁盤 磁盤是一種直接存取存儲設(shè)備，又叫隨機存取存儲設(shè)備。從不同的角度進行分類，可將磁盤分成硬盤和軟盤；單片盤和多片盤；固定磁頭和活動磁頭等。磁盤讀與寫的速度相同，為了提高可靠性，可將若干磁盤組成陣列。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1磁盤的物理結(jié)構(gòu)磁盤的物理結(jié)構(gòu)計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要11. 數(shù)據(jù)的組織和格式數(shù)據(jù)的組織和格式 Gap102031292293Field GapField GapGap FieldGap

47、 FieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293Field GapField1774151520IDDataSectorPhysical Sector 0Physical Sector 1Physical Sector 29BytesSynchByteTrack#Head#Sector#Bytes 1211CRC3SynchByteDataCRC15122600 Bytes/SectorGap磁盤的格式化 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要12. 2. 磁盤的類型磁盤的類

48、型 1) 固定頭磁盤 2) 移動頭磁盤 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要13. 3. 磁盤訪問時間磁盤訪問時間T Ta asnmTsrNbTtrNbrTTTTTstsa21R為磁盤的轉(zhuǎn)速，N為一條磁道上的字節(jié)數(shù)，b是每次讀寫的字節(jié)數(shù)。計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要14.4.影響存取訪問速度的幾個因素影響存取訪問速度的幾個因素 循環(huán)排序循環(huán)排序例：考慮磁道保存4個記錄的旋轉(zhuǎn)型設(shè)備，假定收到四個I/O請求。 請求次序 記錄號 （1） 讀記錄4 （2） 讀記錄3 （3） 讀記錄2 （4） 讀記錄1計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 例：信息在存儲空間的排列方式會影響存取等待時間?？紤]10個邏輯記錄A，B，J被存于旋轉(zhuǎn)型設(shè)備上，每道存放10個記錄，安排如下： 物理塊 邏輯紀(jì)錄 1-10 A-J 處理10個記錄的總時間(旋轉(zhuǎn)速度20ms)： 214毫秒 計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng) Operating System 操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要操作系統(tǒng)設(shè)備管理概要1 每個記錄重復(fù)記錄在設(shè)備的多個區(qū)域，讀相同的每個記錄重復(fù)記錄在設(shè)備的多個區(qū)域，讀相同的數(shù)據(jù)，有幾個交替地址，也稱為多