操作系統(tǒng)教學(xué)課件-第四章 設(shè)備管理

1、第四章 設(shè)備管理設(shè)備管理主要功能： 設(shè)備分配：按照設(shè)備類(lèi)型和相應(yīng)的分配算法決 定將I/O設(shè)備分配給哪一個(gè)要求該設(shè)備的進(jìn)程。 同時(shí)還要分配相應(yīng)的控制器和通道。 設(shè)備控制； 緩沖的管理功能； 設(shè)備獨(dú)立性與虛擬設(shè)備；1第四章 設(shè)備管理一 設(shè)備分類(lèi) 按信息組織方式：字符設(shè)備和塊設(shè)備； 按數(shù)據(jù)傳輸速率：低速設(shè)備、中速設(shè)備和高速設(shè)備 按共享屬性：獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備。2第四章 設(shè)備管理二 設(shè)備控制器處于CPU和I/O設(shè)備之間，接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，控制I/O設(shè)備工作，使CPU從設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來(lái)。是一個(gè)可編址設(shè)備?？刂埔粋€(gè)設(shè)備時(shí)，只有一個(gè)設(shè)備地址；控制多個(gè)設(shè)備時(shí)，有多個(gè)設(shè)備地址，使每一個(gè)地址

2、對(duì)應(yīng)一個(gè)設(shè)備。 控制信息控制存放器：存放接收的命令和參數(shù)。 數(shù)據(jù)信息數(shù)據(jù)存放器：存放傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 狀態(tài)信息狀態(tài)存放器：記錄設(shè)備狀態(tài)，供CPU查詢(xún)。3第四章 設(shè)備管理數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器I/O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i數(shù)據(jù)線地址線控制線CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口狀態(tài)控制數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)控制CPU控制器I/O設(shè)備4第四章 設(shè)備管理三 數(shù)據(jù)傳送控制方式I/O控制方式程序直接控制方式；中斷控制方式；DMA方式；通道方式。5第四章 設(shè)備管理1 程序直接控制方式:由用戶(hù)進(jìn)程來(lái)直接控制內(nèi)存或 CPU與外圍設(shè)備之間的信息傳送向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)從I/O控制器中讀入

3、字向存儲(chǔ)器中寫(xiě)字CPUI/OI/OCPU未就緒出錯(cuò)就緒I/OCPUCPU內(nèi)存?zhèn)魉屯瓿蓹z查狀態(tài)是，下一條指令未完6第四章 設(shè)備管理2 中斷方式CPU與I/O設(shè)備并行操作向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫(xiě)字CPUI/O, CPU做其它事了I/OCPU出錯(cuò)就緒I/OCPUCPU內(nèi)存?zhèn)魉屯瓿蓹z查狀態(tài)是，下一條指令未完數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)寄存器，發(fā)中斷從外部設(shè)備讀取一塊數(shù)據(jù)到存儲(chǔ)器，每次讀一個(gè)字的數(shù)據(jù)。7第四章 設(shè)備管理3 DMA方式 數(shù)據(jù)傳輸根本單位是數(shù)據(jù)塊 從設(shè)備直接送入內(nèi)存，或相反。 整塊數(shù)據(jù)的傳輸是在控制器的控制下完成的。僅 在開(kāi)始和結(jié)束時(shí)才需CPU干預(yù)。向I/

4、O控制器發(fā)布讀塊命令讀DMA控制器的狀態(tài)下條指令CPUDMACPU做其它事中斷DMACPU8第四章 設(shè)備管理DR 數(shù)據(jù)寄存器MAR 內(nèi)存地址寄存器DC 數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器CR 命令/狀態(tài)寄存器命令系統(tǒng)總線DMA控制器內(nèi)存主機(jī)控制器接口CPU在DMA控制器中需要四類(lèi)存放器:9第四章 設(shè)備管理DMA工作過(guò)程：設(shè)置MAR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用CPU工作周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址增1數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器減1DC=0 ?請(qǐng)求中斷NY每當(dāng)把磁盤(pán)一個(gè)數(shù)據(jù)字讀入數(shù)據(jù)寄存器，DMA控制器取代CPU接管地址總線的控制權(quán)。使CPU訪問(wèn)總線時(shí)速度會(huì)變慢。10第四章 設(shè)備管理4 通道方式與DMA方式相比，通道所需的CPU干預(yù)更少

5、，且可以做到一個(gè)通道控制多臺(tái)設(shè)備，進(jìn)一步減輕了CPU的負(fù)擔(dān)。I/O通道是一種特殊的處理機(jī)。計(jì)算機(jī)I/O通道1I/O通道2控制器控制器控制器控制器設(shè)備設(shè)備CPU、通道和I/O設(shè)備并行工作11第四章 設(shè)備管理工作過(guò)程：CPU向I/O通道發(fā)出一條I/O指令，給出所要執(zhí)行的通道程序的首地址和要訪問(wèn)的I/O設(shè)備。通道接到CPU發(fā)來(lái)的指令后，通過(guò)執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)通道程序：由一系列的通道指令所構(gòu)成。每條指令包含：操作碼、內(nèi)存地址、計(jì)數(shù)、通道程序結(jié)束位P(P=1表示指令是通道程序最后一條)、記錄結(jié)束標(biāo)志R(R=0表示指令與下一條指令所處理的數(shù)據(jù)同屬一個(gè)記錄。12第四章 設(shè)備管理四 緩

6、沖管理 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾； 減少對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間 的限制； 提高CPU和I/O設(shè)備中間的并行性；13第四章 設(shè)備管理單緩沖與雙緩沖單緩沖是在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)無(wú)法實(shí)現(xiàn) CPU 與設(shè)備的并行操作；提高設(shè)備并行操作的方法可以采用雙緩沖。14第四章 設(shè)備管理2 循環(huán)緩沖在循環(huán)緩沖中含有多個(gè)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)的大小相同，通過(guò)指針鏈接為一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。15第四章 設(shè)備管理3 緩沖池hinsouthoutsin用戶(hù)程序收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出空緩沖隊(duì)列emp輸入隊(duì)列inq輸出隊(duì)列outg16第四章 設(shè)備管理五 設(shè)備分配1設(shè)備分配原那么 設(shè)備分

7、配的原那么是根據(jù)設(shè)備特性、用戶(hù)要求和系統(tǒng)配置情況決定的。設(shè)備分配的總原那么是既要充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能使設(shè)備忙，但又要防止由于不合理的分配方法而造成進(jìn)程死鎖；另外還要做到把用戶(hù)程序和具體物理設(shè)備隔離開(kāi)來(lái)，即用戶(hù)程序面對(duì)的是邏輯設(shè)備，而分配程序?qū)⒃谙到y(tǒng)把邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換成物理設(shè)備之后，再根據(jù)相應(yīng)的物理設(shè)備號(hào)進(jìn)行分配。17第四章 設(shè)備管理2設(shè)備分配策略 與進(jìn)程調(diào)度相似，動(dòng)態(tài)設(shè)備分配也是基于一定的分配策略的。常用的分配策略有先請(qǐng)求先分配、優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先分配策略等。 先請(qǐng)求先分配 當(dāng)有多個(gè)進(jìn)程對(duì)某一設(shè)備提出I/O請(qǐng)求時(shí)，系統(tǒng)按提出I/O請(qǐng)求的先后順序?qū)⑦M(jìn)程發(fā)出的I/O請(qǐng)求消息排成隊(duì)列。當(dāng)該設(shè)備空閑

8、時(shí)，系統(tǒng)從該設(shè)備的請(qǐng)求隊(duì)列的隊(duì)首取下一個(gè)I/O請(qǐng)求消息，將設(shè)備分配給發(fā)出這個(gè)請(qǐng)求消息的進(jìn)程。18第四章 設(shè)備管理 優(yōu)先級(jí)高者先分配 這種策略中的優(yōu)先數(shù)和進(jìn)程的優(yōu)先數(shù)是一致的，即進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)高，它的I/O請(qǐng)求也優(yōu)先予以滿(mǎn)足。對(duì)于相同優(yōu)先級(jí)的進(jìn)程來(lái)說(shuō)，那么按先請(qǐng)求先分配策略分配。優(yōu)先級(jí)高者先分配策略把請(qǐng)求某設(shè)備的I/O請(qǐng)求命令按進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)組成隊(duì)列，從而保證在該設(shè)備空閑時(shí)，系統(tǒng)能從I/O請(qǐng)求隊(duì)列取下一個(gè)具有最高優(yōu)先級(jí)進(jìn)程發(fā)來(lái)的I/O請(qǐng)求命令，并將設(shè)備分配給發(fā)出該命令的進(jìn)程。19第四章 設(shè)備管理3 設(shè)備分配中使用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 設(shè)備控制表DCT 系統(tǒng)為每一個(gè)設(shè)備都配置了一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄該設(shè)備的情

9、況。DCT1DCTiDCTn設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備狀態(tài)：忙/閑重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間指向與之相連控制器控制表指針設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針20第四章 設(shè)備管理控制器控制表COCT 系統(tǒng)為每一個(gè)控制器都設(shè)置了一張用于記錄本控制器情況的控制器控制表?？刂破鳂?biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)：忙/閑指向與控制器連接的通道表指針控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針21第四章 設(shè)備管理通道控制表CHCT該表只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，每個(gè)通道一張；通道標(biāo)識(shí)符通道狀態(tài)：忙/閑與通道連接的控制器表首址通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針22第四章 設(shè)備管理系統(tǒng)設(shè)備表SDT 是系統(tǒng)范圍的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中記錄了系統(tǒng)中全部的設(shè)備情況。每個(gè)

10、設(shè)備占一個(gè)表項(xiàng)。表項(xiàng)1表項(xiàng)i設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備控制表DCT驅(qū)動(dòng)程序入口23第四章 設(shè)備管理4 設(shè)備分配過(guò)程SDTDCTCOCTCHCT一個(gè)進(jìn)程只有獲得了通道、控制器和所需設(shè)備三者之后，才具備了進(jìn)行I/O操作的物理?xiàng)l件。24第四章 設(shè)備管理25第四章 設(shè)備管理六 設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性也稱(chēng)設(shè)備無(wú)關(guān)性，根本含義是：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備，即指應(yīng)用程序(或者進(jìn)程)中以邏輯設(shè)備名請(qǐng)求設(shè)備，而系統(tǒng)以物理設(shè)備名來(lái)分配和使用設(shè)備。邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名的映射是通過(guò)邏輯設(shè)備表Logical Unit Table,LUT實(shí)現(xiàn)的。26第四章 設(shè)備管理27第四章 設(shè)備管理七 虛擬設(shè)備技術(shù)SPOOLing

11、技術(shù) SPOOLing定義 在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)利用一道程序來(lái)模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)，把低速輸入設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速的磁盤(pán)上，還需要利用另一道程序模擬脫機(jī)輸出時(shí)的外圍控制機(jī)，把高速的磁盤(pán)上的數(shù)據(jù)傳送到低速輸出設(shè)備。這樣，在CPU直接控制下實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入/輸出操作，此時(shí)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理是并行進(jìn)行的。相對(duì)應(yīng)于前邊介紹的脫機(jī)輸入/輸出，我們將這樣的操作稱(chēng)為假脫機(jī)操作，也就是SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operations On-line，外圍設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作)。28第四章 設(shè)備管理 SPOOLing組成29第四章 設(shè)備管理八 設(shè)備處理1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序功能與特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能 將接受的抽象I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為具體的I/O請(qǐng)求。 檢查I/O請(qǐng)求合法性，了解設(shè)備狀態(tài)并傳遞相關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。發(fā)出I/O命令，啟動(dòng)已分配的相應(yīng)設(shè)備完成指定的I/O操作。及時(shí)響應(yīng)設(shè)備控制器或者通道的中斷，并根據(jù)中斷類(lèi)型調(diào)用相應(yīng)中斷處理程序處理。在有通道的系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序根據(jù)用戶(hù)I/O請(qǐng)求，自動(dòng)構(gòu)成通道程序。 30第四章 設(shè)備管理設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn) 驅(qū)動(dòng)程序主要是在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信程序，將進(jìn)程I/O請(qǐng)求送到設(shè)備控制器，反響回設(shè)備控制器中記錄的設(shè)備狀態(tài)、I/O完成情況。 驅(qū)動(dòng)程序與I/O