北方工業(yè)大學 計算機操作系統(tǒng) 第15講--設備管理

1、1第七章 設備管理第一節(jié)第一節(jié) 概述概述第二節(jié)第二節(jié) 數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送控制方式第三節(jié)第三節(jié) 中斷技術中斷技術第四節(jié)第四節(jié) 緩沖技術緩沖技術第五節(jié)第五節(jié) 設備分配設備分配第六節(jié)第六節(jié) I/OI/O進程控制進程控制第七節(jié)第七節(jié) 設備驅(qū)動程序設備驅(qū)動程序27.1 概述設備除cpu及內(nèi)存以外的所有設備和裝置(I/O設備，存儲設備等)。存儲設備用來存放各種信息的設備稱為存儲設備，例如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等I/O設備用來向計算機輸入和輸出信息的設備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等37.1.1 外部設備分類 按系統(tǒng)和用戶分：系統(tǒng)、用戶按輸入輸出傳送方式分(UNIX或Linux系統(tǒng))：字符型設備、

2、塊設備按資源特點分：獨享設備、共享設備、虛擬設備按設備硬件物理特性分：順序存取設備、直接存取設備4按輸入輸出傳送方式分字符型設備：以字符為單位進行輸入、輸出的設備。每輸入或輸出一個字符就中斷一次主機CPU，請求進行處理。所以又稱慢速字符設備。塊設備：以字符塊為單位進行輸入、輸出的設備。例如：硬盤。5按資源特點分獨享設備：所有字符設備都是獨享設備。在一個用戶作業(yè)未完成或退出之前，此設備不能分配給其他作業(yè)用。打印機不能同時打印多個用戶作業(yè)，否則輸出結(jié)果將會混在一起。共享設備：多個用戶作業(yè)或多個進程可以“同時”從這些設備上存取信息。軟硬盤、光盤等塊設備都是共享設備。虛擬設備：通過軟件技術將獨享設備改

3、造成共享設備。例如：通過SPOOLing技術將一臺打印機虛擬成多臺打印機。6按設備硬件物理特性分順序存取設備：存取時間與物理上當前位置有關。如：磁帶直接存取設備：存取時間與物理上當前位置關系不大。如：磁盤77.1.2 設備管理的任務選擇和分配輸入輸出設備控制輸入輸出設備和CPU或內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換。為用戶提供一個友好的接口，把用戶和設備硬件特性分開，使用戶編程時不必關心設備的物理特性。盡量提高輸入輸出設備的利用率，發(fā)揮主機與外設以及外設與外設之間的真正并行工作能力。87.1.3 設備管理的功能提供與進程管理系統(tǒng)的接口，將進程要求傳達給設備管理程序。按設備類型和算法分配設備，包括相應的通道、設備

4、控制器。對未分配到設備的任務或作業(yè)進入等待隊列。實現(xiàn)設備和設備、設備和CPU之間的并行操作。這需要一些硬件設備的支持。進行存儲緩沖區(qū)管理。97.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送設備與CPU或內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互傳送方式程序直接控制中斷控制DMA控制通道控制評價指標速度快、數(shù)據(jù)不丟失、系統(tǒng)開銷小10程序直接控制由用戶進程直接控制內(nèi)存與外部設備的數(shù)據(jù)傳輸當用戶進程需要數(shù)據(jù)時，它通過CPU發(fā)送“設備啟動命令”，用戶進程進入測試等待狀態(tài);在等待時間內(nèi)CPU不斷用一條測試指令檢查設備的工作狀態(tài)當數(shù)據(jù)準備好后，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)置為完成狀態(tài)，發(fā)出“Done”信號，開始向內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)11程序直接控制方式的特點CPU和外

5、部設備之間只能串行工作CPU在一段時間只能與一臺外部設備交換信息，所以不能實現(xiàn)設備之間的并行工作CPU的處理速度遠遠高于外部設備，所以CPU的利用率大大降低。由于這種方式是依靠測試設備的狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)的傳輸，所以，無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設備或其他硬件所產(chǎn)生的錯誤。127.2.2 中斷方式與程序直接方式不同，它是靠中斷來實現(xiàn)設備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸控制。處理過程：1.當進程要求數(shù)據(jù)時，由CPU發(fā)出START命令，啟動外設準備數(shù)據(jù)。同時中斷允許位打開。2. 現(xiàn)運行進程放棄CPU，等待輸入完成。進程調(diào)度程序選擇一個新的進程在CPU上運行。3. 當數(shù)據(jù)從相應的設備送到緩沖區(qū)后，由I/O控制器發(fā)中

6、斷請求，CPU接到請求后，中斷現(xiàn)運行進程，轉(zhuǎn)中斷處理程序執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。4. 在以后某個時刻，被中斷進程由于獲得了數(shù)據(jù)而繼續(xù)運行。 13中斷方式的特點1. 由于I/O控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器比較小，裝滿數(shù)據(jù)后發(fā)生中斷，因此一次數(shù)據(jù)傳輸中會造成多次中斷，消耗大量的CPU時間。2. 由于系統(tǒng)中的設備較多，中斷太多，會使CPU無法響應中斷，造成數(shù)據(jù)丟失。3. 如果外部設備的速度也比較高，CPU不能及時取走緩沖寄存器的數(shù)據(jù)，那么就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。147.2.3 DMA方式當需要傳輸大量數(shù)據(jù)時，程序I/O方式和中斷I/O方式都會浪費大量的CPU時間，因此，需要一種更有效的技術處理大量數(shù)據(jù)的傳輸DMA(直接存

7、儲器存取)方式：當處理器希望讀或?qū)懸粔K數(shù)據(jù)時，它給DMA模塊產(chǎn)生一條指令，發(fā)送以下信息涉及的I/O設備的地址開始讀或?qū)懙拇鎯ζ鲉卧枰x或?qū)懙淖謹?shù)15DMA方式n處理器然后繼續(xù)其他工作，而把這個操作委托給DMA模塊，由該模塊處理。nDMA模塊直接從存儲器中或者往存儲器中傳送整個數(shù)據(jù)塊，每次傳送一個字。n當傳送完成后，DMA模塊給處理器發(fā)一個中斷信號。n因此，只有在開始傳送和結(jié)束傳送時才會用到處理器System BusI/OControllerI/OControllerProcessorDMAControllerMemory.16DMA方式nDMA方式的特點：作為高速的外圍設備與內(nèi)存之間進行成批

8、的數(shù)據(jù)交換，但不對數(shù)據(jù)作加工處理。數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，I/O操作的類型比較簡單需要使用一個專門的DMA控制器（DMAC，Direct Memory Access Controller）。DMAC中有控制、狀態(tài)寄存器、傳送字節(jié)計數(shù)器、內(nèi)存地址寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器17DMA方式n采用盜竊總線控制權的方法，由DMAC送出內(nèi)存地址和發(fā)出內(nèi)存讀、設備寫或設備讀、內(nèi)存寫的控制信號來完成內(nèi)存與設備之間的直接數(shù)據(jù)傳送，而不用CPU的干預。有的DMA傳送甚至不經(jīng)過DMAC的數(shù)據(jù)緩沖寄存器的再吞吐，傳輸速率非常高。n僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU干預，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下

9、完成的187.2.4 I/O通道方式n通道控制方式與DMA方式類似，也是一種以內(nèi)存為中心，實現(xiàn)設備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。與DMA方式相比，DMA方式每次僅傳輸一個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)，而通道卻可以一次傳輸若干個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)。19I/O通道方式通道控制方式的數(shù)據(jù)輸入過程如下當進程要求輸入數(shù)據(jù)時，CPU發(fā)出驅(qū)動指令指明I/O操作、設備號和相應的通道對應通道接收到CPU發(fā)來的驅(qū)動指令后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序，控制設備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存指定的區(qū)域若數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，則向CPU發(fā)出中斷請求。CPU收到中斷信號后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進程，并返回被中斷程序20System

10、 BusProcessorI/O BusI/OControllerI/OControllerI/OControllerI/OControllerMemoryChannelProcessor21通道指令通道指令一般包括：內(nèi)存地址（數(shù)據(jù)）、傳送方向、數(shù)據(jù)長度、I/O設備的地址信息、特征信息。通道指令在進程要求數(shù)據(jù)時由系統(tǒng)自動生成。Wirte 0 0 250 1850（寫/通道指令未結(jié)束/記錄未結(jié)束/250個單元/內(nèi)存地址1850）Write 1 1 250 780 （寫/通道指令結(jié)束/記錄結(jié)束/250個單元/內(nèi)存地址780）22通道方式的特點設備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的傳送方向、內(nèi)存地址、長度等

11、是由通道來控制的。DMA中這些是由CPU控制的。一個通道可以控制多臺設備與內(nèi)存進行數(shù)據(jù)交換。DMA方式每臺設備至少一個DMA控制器。一個通道可以以分時方式同時執(zhí)行幾個通道指令。237.3 中斷技術7.3.1 中斷的基本思想7.3.2 中斷的分類與優(yōu)先級7.3.3 軟中斷7.3.4 中斷處理過程247.3.1 中斷的基本思想定義：中斷是指計算機在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或預期的急需處理事件，使得CPU暫時中斷當前的進程而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序，待處理完成后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進程執(zhí)行的過程。中斷源：引起發(fā)生中斷的事件叫做中斷源。中斷請求：中斷源向CPU發(fā)送的中斷信號叫

12、做中斷請求。中斷響應：CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)相應的事件處理程序稱為中斷響應。25中斷的基本思想禁止中斷（關中斷）：由于處理機狀態(tài)字PSW的中斷允許位可能被清除，導致CPU不響應中斷，直到PSW的中斷許可位被重新設置，即開中斷。開中斷和關中斷都是為保障程序執(zhí)行的原子性。中斷請求、關中斷、開中斷都是由硬件實現(xiàn)的。中斷屏蔽：中斷請求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷，而允許其他中斷仍然能夠得到響應。有些中斷是不可屏蔽的，它們具有最高的中斷響應級別。267.3.2 中斷的分類與優(yōu)先級根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件，可把中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷：內(nèi)部中斷：來自處理機和內(nèi)存的中斷。內(nèi)中斷也叫做陷阱（tr

13、ap）。包括程序運算引起的各種錯誤，例如：數(shù)據(jù)格式錯、非法指令等。外部中斷：除了內(nèi)部中斷之外，其他來自外部的中斷都是外中斷。例如：I/O設備發(fā)出的I/O中斷、外部信號中斷等。中斷和陷入按輕重緩急分為不同的優(yōu)先級。CPU的PSW中也設有優(yōu)先級。如果中斷源的優(yōu)先級高于PSW則處理機響應該中斷；反之，屏蔽請求。中斷源的優(yōu)先級是固定的，處理機的優(yōu)先級則根據(jù)執(zhí)行情況由系統(tǒng)程序動態(tài)設定。27中斷和陷入的區(qū)別陷阱通常由處理機正在執(zhí)行的指令引起，而中斷是由與現(xiàn)行指令無關的中斷引起的。陷入處理程序提供的服務是為當前進程的，而中斷處理程序提供的服務則不是為當前進程的。CPU在執(zhí)行完一條指令后，下一條指令開始之前響

14、應中斷，而中斷執(zhí)行過程中又可以響應陷阱。有的系統(tǒng)將中斷處理程序在系統(tǒng)上下文上運行，而陷入在用戶的上下文上運行。287.3.3 軟中斷定義：通訊進程之間相互發(fā)送信號來模擬硬件中斷。一個進程A向進程B發(fā)送一個軟中斷信號后，當進程B占用處理機時，立即轉(zhuǎn)去執(zhí)行該軟中斷信號所對應的程序。有些系統(tǒng)中，將陷入劃歸到軟中斷處理。如當前執(zhí)行指令產(chǎn)生陷阱，則向當前執(zhí)行進程自身發(fā)出軟中斷信號，立即進入陷阱處理程序。297.3.4 中斷處理過程1.CPU檢查是否有響應中斷的條件：中斷請求、CPU允許中斷。條件不滿足則中斷處理程序不處理。2.如果CPU響應中斷，則先關中斷，以保證在中斷處理過程中不被中斷。3.保存中斷現(xiàn)

15、場。4.分析中斷原因，調(diào)用中斷處理子程序。如果同時有多個中斷，則響應級別最高的中斷。30中斷向量不同的中斷源有不同的中斷處理子程序。這些子程序的入口地址和不同的處理機狀態(tài)字一起構成中斷向量。存放在內(nèi)存的特定單元中。根據(jù)中斷源系統(tǒng)查詢中斷向量表，然后轉(zhuǎn)去相應的處理子程序。317.4 緩沖技術緩沖的引入緩沖的種類緩沖池的管理327.4.1 緩沖的引入處理機的處理速度很高，為了使處理機的速度和外部設備的速度匹配，一般在處理機和外部設備之間加一個或多個緩沖區(qū)，達到設備之間和設備與處理機之間的并行處理目的。為了減少中斷次數(shù)。例如：當計算進程把大量的數(shù)據(jù)輸出到打印機上，由于CPU的輸出速度大大高于打印機的

16、速度，因此，CPU只好停下來等待。而CPU計算時，打印機卻空閑。兩種緩沖方案：用硬件緩沖寄存器；內(nèi)存緩沖區(qū)337.4.2 緩沖的種類單緩沖：在設備和處理機之間設置一個緩沖器。單緩沖不能實現(xiàn)設備之間的并行操作。雙緩沖：兩個緩沖器，以解決兩個設備之間的并行。但多個設備情況下仍然不可行。多緩沖：多個緩沖區(qū)連接起來組成兩部分，一部分專門用于輸入緩沖，另一部分專門用于輸出緩沖。緩沖池：將多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，既可用于輸入，又可用于輸出。347.4.3 緩沖池的管理緩沖池由多個緩沖區(qū)組成。每個緩沖區(qū)由兩部分組成：一是緩沖區(qū)的首部，包括設備號、數(shù)據(jù)塊號、緩沖區(qū)號、互斥標識位、連接指針；另一部分是存放數(shù)據(jù)的為緩沖體。系統(tǒng)將各個緩沖區(qū)按照用途分為三種隊列：空閑隊列、裝滿輸入數(shù)據(jù)的隊列、裝滿輸出數(shù)據(jù)的隊列。除了這三種隊列外，系統(tǒng)還提