北方工業(yè)大學計算機操作系統第講設備管理

第七章設備管理第一節(jié)概述第二節(jié)數據傳送控制方式第三節(jié)中斷技術第四節(jié)緩沖技術第五節(jié)設備分配第六節(jié)I/O進程控制第七節(jié)設備驅動程序17.1概述設備除cpu及內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27.1.1外部設備分類

按系統和用戶分：系統、用戶按輸入輸出傳送方式分(UNIX或Linux系統)：字符型設備、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3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。4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。5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67.1.2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或內存之間的數據交換。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。77.1.3設備管理的功能提供與進程管理系統的接口，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。87.2數據傳送控制方式數據傳送設備與CPU或內存的數據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、數據不丟失、系統開銷小9程序直接控制由用戶進程直接控制內存與外部設備的數據傳輸當用戶進程需要數據時，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CPU不斷用一條測試指令檢查設備的工作狀態(tài)當數據準備好后，狀態(tài)寄存器的狀態(tài)置為完成狀態(tài)，發(fā)出“Done”信號，開始向內存?zhèn)魉蛿祿?0程序序直直接接控控制制方方式式的的特特點點CPU和和外外部部設設備備之之間間只只能能串串行行工工作作CPU在在一一段段時時間間只只能能與與一一臺臺外外部部設設備備交交換換信信息息，，所所以以不不能能實實現現設設備備之之間間的的并并行行工工作作CPU的的處處理理速速度度遠遠遠遠高高于于外外部部設設備備，，所所以以CPU的的利利用用率率大大大大降降低低。。由于于這這種種方方式式是是依依靠靠測測試試設設備備的的狀狀態(tài)態(tài)寄寄存存器器的的狀狀態(tài)態(tài)位位來來控控制制數數據據的的傳傳輸輸，，所所以以，，無無法法發(fā)發(fā)現現和和處處理理由由于于設設備備或或其其他他硬硬件件所所產產生生的的錯錯誤誤。。117.2.2中中斷斷方方式式與程程序序直直接接方方式式不不同同，，它它是是靠靠中中斷斷來來實實現現設設備備與與內內存存的的數數據據傳傳輸輸控控制制。。處理理過過程程：：1.當當進進程程要要求求數數據據時時，，由由CPU發(fā)發(fā)出出START命命令令，，啟啟動動外外設設準準備備數數據據。。同同時時中中斷斷允允許許位位打打開開。。2.現現運運行行進進程程放放棄棄CPU，，等等待待輸輸入入完完成成。。進進程程調調度度程程序序選選擇擇一一個個新新的的進進程程在在CPU上上運運行行。。3.當當數數據據從從相相應應的的設設備備送送到到緩緩沖沖區(qū)區(qū)后后，，由由I/O控控制制器器發(fā)發(fā)中中斷斷請請求求，，CPU接接到到請請求求后后，，中中斷斷現現運運行行進進程程，，轉轉中中斷斷處處理理程程序序執(zhí)執(zhí)行行數數據據傳傳輸輸。。4.在在以以后某某個時時刻，，被中中斷進進程由由于獲獲得了了數據據而繼繼續(xù)運運行。。12中斷方方式的的特點點1.由由于于I/O控控制器器的數數據緩緩沖寄寄存器器比較較小，，裝滿滿數據據后發(fā)發(fā)生中中斷，，因此此一次次數據據傳輸輸中會會造成成多次次中斷斷，消消耗大大量的的CPU時時間。。2.由由于于系統統中的的設備備較多多，中中斷太太多，，會使使CPU無無法響響應中中斷，，造成成數據據丟失失。3.如如果果外部部設備備的速速度也也比較較高，，CPU不不能及及時取取走緩緩沖寄寄存器器的數數據，，那么么就會會出現現數據據丟失失。137.2.3DMA方式式當需要要傳輸輸大量量數據據時，，程序序I/O方方式和和中斷斷I/O方方式都都會浪浪費大大量的的CPU時時間，，因此此，需需要一一種更更有效效的技技術處處理大大量數數據的的傳輸輸DMA(直直接存存儲器器存取取)方方式：：當處處理器器希望望讀或或寫一一塊數數據時時，它它給DMA模塊塊產生生一條條指令令，發(fā)發(fā)送以以下信信息涉及的的I/O設設備的的地址址開始讀讀或寫寫的存存儲器器單元元需要讀讀或寫寫的字字數14DMA方式式處理器器然后后繼續(xù)續(xù)其他他工作作，而而把這這個操操作委委托給給DMA模模塊，，由該該模塊塊處理理。DMA模塊塊直接接從存存儲器器中或或者往往存儲儲器中中傳送送整個個數據據塊，，每次次傳送送一個個字。。當傳送送完成成后，，DMA模模塊給給處理理器發(fā)發(fā)一個個中斷斷信號號。因此，，只有有在開開始傳傳送和和結束束傳送送時才才會用用到處處理器器15DMA方式式DMA方式式的特特點：：作為高高速的的外圍圍設備備與內內存之之間進進行成成批的的數據據交換換，但但不對對數據據作加加工處處理。。數據據傳輸輸的基基本單單位是是數據據塊，，I/O操操作的的類型型比較較簡單單需要使使用一一個專專門的的DMA控控制器器（DMAC，，DirectMemoryAccessController））。DMAC中中有控控制、、狀態(tài)態(tài)寄存存器、、傳送送字節(jié)節(jié)計數數器、、內存存地址址寄存存器和和數據據緩沖沖寄存存器16DMA方式式采用盜盜竊總總線控控制權權的方方法，，由DMAC送送出內內存地地址和和發(fā)出出內存存讀、、設備備寫或或設備備讀、、內存存寫的的控制制信號號來完完成內內存與與設備備之間間的直直接數數據傳傳送，，而不不用CPU的干干預。。有的的DMA傳傳送甚甚至不不經過過DMAC的數數據緩緩沖寄寄存器器的再再吞吐吐，傳傳輸速速率非非常高高。僅在傳傳送一一個或或多個個數據據塊的的開始始和結結束時時，才才需CPU干預預，整整塊數數據的的傳送送是在在控制制器的的控制制下完完成的的177.2.4I/O通道道方式式通道控控制方方式與與DMA方方式類類似，，也是是一種種以內內存為為中心心，實實現設設備與與內存存直接接交換換數據據的控控制方方式。。與DMA方式式相比比，DMA方式式每次次僅傳傳輸一一個數數據塊塊的數數據，，而通通道卻卻可以以一次次傳輸輸若干干個數數據塊塊的數數據。。18I/O通道道方式式通道控控制方方式的的數據據輸入入過程程如下下當進程程要求求輸入入數據據時，，CPU發(fā)發(fā)出驅驅動指指令指指明I/O操作作、設設備號號和相相應的的通道道對應通通道接接收到到CPU發(fā)發(fā)來的的驅動動指令令后，，把存存放在在內存存中的的通道道指令令程序序讀出出，并并執(zhí)行行通道道程序序，控控制設設備將將數據據傳送送到內內存指指定的的區(qū)域域若數據據傳送送結束束，則則向CPU發(fā)出出中斷斷請求求。CPU收到到中斷斷信號號后轉轉中斷斷處理理程序序，喚喚醒等等待輸輸入完完成的的進程程，并并返回回被中中斷程程序1920通道指指令通道指指令一一般包包括：：內存存地址址（數數據））、傳傳送方方向、、數據據長度度、I/O設備備的地地址信信息、、特征征信息息。通道指指令在在進程程要求求數據據時由由系統統自動動生成成。Wirte002501850（（寫/通通道指指令未未結束束/記記錄未未結束束/250個單單元/內存存地址址1850）Write11250780（（寫/通通道指指令結結束/記錄錄結束束/250個單單元/內存存地址址780）21通道方式的的特點設備與內存存直接交換換數據。數據的傳送送方向、內內存地址、、長度等是是由通道來來控制的。。DMA中中這些是由由CPU控控制的。一個通道可可以控制多多臺設備與與內存進行行數據交換換。DMA方式每臺臺設備至少少一個DMA控制器器。一個通道可可以以分時時方式同時時執(zhí)行幾個個通道指令令。227.3中中斷技術7.3.1中斷的的基本思想想7.3.2中斷的的分類與優(yōu)優(yōu)先級7.3.3軟中斷斷7.3.4中斷處處理過程237.3.1中斷的的基本思想想定義：中斷斷是指計算算機在執(zhí)行行期間，系系統內發(fā)生生任何非尋尋常的或預預期的急需需處理事件件，使得CPU暫時時中斷當前前的進程而而轉去執(zhí)行行相應的事事件處理程程序，待處處理完成后后又返回原原來被中斷斷處繼續(xù)執(zhí)執(zhí)行或調度度新的進程程執(zhí)行的過過程。中斷源：引引起發(fā)生中中斷的事件件叫做中斷斷源。中斷請求：：中斷源向向CPU發(fā)發(fā)送的中斷斷信號叫做做中斷請求求。中斷響應：：CPU收收到中斷請請求后轉相相應的事件件處理程序序稱為中斷斷響應。24中斷的基本本思想禁止中斷（（關中斷））：由于處處理機狀態(tài)態(tài)字PSW的中斷允允許位可能能被清除，，導致CPU不響應應中斷，直直到PSW的中斷許許可位被重重新設置，，即開中斷斷。開中斷斷和關中斷斷都是為保保障程序執(zhí)執(zhí)行的原子子性。中斷請求、、關中斷、、開中斷都都是由硬件件實現的。。中斷屏蔽：：中斷請求求產生之后后，系統用用軟件方式式有選擇地地封鎖部分分中斷，而而允許其他他中斷仍然然能夠得到到響應。有有些中斷是是不可屏蔽蔽的，它們們具有最高高的中斷響響應級別。。257.3.2中斷的的分類與優(yōu)優(yōu)先級根據中斷源源產生的條條件，可把把中斷分為為內部中斷斷和外部中中斷：內部中斷：：來自處理理機和內存存的中斷。。內中斷也也叫做陷阱阱（trap）。包包括程序運運算引起的的各種錯誤誤，例如：：數據格式式錯、非法法指令等。。外部中斷：：除了內部部中斷之外外，其他來來自外部的的中斷都是是外中斷。。例如：I/O設備備發(fā)出的I/O中斷斷、外部信信號中斷等等。中斷和陷入入按輕重緩緩急分為不不同的優(yōu)先先級。CPU的PSW中也也設有優(yōu)先先級。如果果中斷源的的優(yōu)先級高高于PSW則處理機機響應該中中斷；反之之，屏蔽請請求。中斷源的優(yōu)優(yōu)先級是固固定的，處處理機的優(yōu)優(yōu)先級則根根據執(zhí)行情情況由系統統程序動態(tài)態(tài)設定。26中斷和陷入入的區(qū)別陷阱通常由由處理機正正在執(zhí)行的的指令引起起，而中斷斷是由與現現行指令無無關的中斷斷引起的。。陷入處理程程序提供的的服務是為為當前進程程的，而中中斷處理程程序提供的的服務則不不是為當前前進程的。。CPU在執(zhí)執(zhí)行完一條條指令后，，下一條指指令開始之之前響應中中斷，而中中斷執(zhí)行過過程中又可可以響應陷陷阱。有的系統將將中斷處理理程序在系系統上下文文上運行，，而陷入在在用戶的上上下文上運運行。277.3.3軟中斷斷定義：通訊訊進程之間間相互發(fā)送送信號來模模擬硬件中中斷。一個個進程A向向進程B發(fā)發(fā)送一個軟軟中斷信號號后，當進進程B占用用處理機時時，立即轉轉去執(zhí)行該該軟中斷信信號所對應應的程序。。有些系統中中，將陷入入劃歸到軟軟中斷處理理。如當前前執(zhí)行指令令產生陷阱阱，則向當當前執(zhí)行進進程自身發(fā)發(fā)出軟中斷斷信號，立立即進入陷陷阱處理程程序。287.3.4中斷處處理過程1.CPU檢查是否否有響應中中斷的條件件：中斷請請求、CPU允許中中斷。條件件不滿足則則中斷處理理程序不處處理。2.如果CPU響應應中斷，則則先關中斷斷，以保證證在中斷處處理過程中中不被中斷斷。3.保存中中斷現場。。4.分析中中斷原因，，調用中斷斷處理子程程序。如果果同時有多多個中斷，，則響應級級別最高的的中斷。29中斷向量不同的中斷斷源有不同同的中斷處處理子程序序。這些子子程序的入入口地址和和不同的處處理機狀態(tài)態(tài)字一起構構成中斷向向量。存放放在內存的的特定單元元中。根據中斷源源系統查詢詢中斷向量量表，然后后轉去相應應的處理子子程序。307.4緩緩沖技術緩沖的引入入緩沖的種類類緩沖池的管管理317.4.1緩沖的的引入處理機的處處理速度很很高，為了了使處理機機的速度和和外部設備備的速度匹匹配，一般般在處理機機和外部設設備之間加加一個或多多個緩沖區(qū)區(qū)，達到設設備之間和和設備與處處理機之間間的并行處處理目的。。為了減少中中斷次數。。例如：當計計算進程把把大量的數數據輸出到到打印機上上，由于CPU的輸輸出速度大大大高于打打印機的速速度，因此此，CPU只好停下下來等待。。而CPU計算時，，打印機卻卻空閑。兩種緩沖方方案：用硬硬件緩沖寄寄存器；內內存緩沖區(qū)區(qū)327.4.2緩沖的的種類單緩沖：在在設備和處處理機之間間設置一個個緩沖器。。單緩沖不不能實現設設備之間的的并行操作作。雙緩沖：兩兩個緩沖器器，以解決決兩個設備備之間的并并行。但多多個設備情情況下仍然然不可行。。多緩緩沖沖：：多多個個緩緩沖沖區(qū)區(qū)連連接接起起來來組組成成兩兩部部分分，，一一部部分分專專門門用用于于輸輸入入緩緩沖沖，，另另一一部部分分專專門門用用于于輸輸出出緩緩沖沖。。緩沖沖池池：：將將多多個個緩緩沖沖區(qū)區(qū)連連接接起起來來統統一一管管理理，，既既可可用用于于輸輸入入，，又又可可用用于于輸輸出出。。337.4.3緩緩沖沖池池的的管管理理緩沖沖池池由由多多個個緩緩沖沖區(qū)區(qū)組組成成。。每每個個緩緩沖沖區(qū)區(qū)由由兩兩部部分分組組成成：：一一是是緩緩沖沖區(qū)區(qū)的的首首部部，，包包括括設設備備號號、、數數據據塊塊號號、、緩緩沖沖區(qū)區(qū)號號、、互互斥斥標標識識位位、、連連接接指指針針；；另另一一部部分分是是存存放放數數據據的的為為緩緩沖沖體體。。系統將各個個緩沖區(qū)按按照用途分分為三種隊隊列：空閑閑隊列、裝裝滿輸入數數據的隊列列、裝滿輸輸出數據的的隊列。除了這三種種隊列外，，系統還提提供四個工工作緩沖區(qū)區(qū)，用于進進行緩沖區(qū)區(qū)相關的操操作：hin:收收容設備輸輸入數據的的緩沖區(qū)sin提取取設備輸入入數據的緩緩沖區(qū)hout：：收容CPU輸出的的緩沖區(qū)sout：：提取CPU輸出數數據的緩沖沖區(qū)34緩沖池的結結構緩沖區(qū)頭存放數據的的緩沖區(qū)bufferbuf緩沖區(qū)頭存放數據的的緩沖區(qū)bufferbuf緩沖區(qū)頭存放數據的的緩沖區(qū)bufferbuf35緩沖隊列空閑緩沖區(qū)區(qū)L(em)F(em)空閑緩沖區(qū)區(qū)輸入緩沖區(qū)區(qū)L(in)F(in)輸入緩沖區(qū)區(qū)輸出緩沖區(qū)區(qū)L(out)F(out)輸出緩沖區(qū)區(qū)36作業(yè)課后習題9.1,9.3,9.4,9.8,379、靜靜夜夜四四無無鄰鄰，，荒荒居居舊舊業(yè)業(yè)貧貧。。。。12月月-2212月月-22Thursday,December29,202210、雨中黃葉葉樹，燈下下白頭人。。。04:35:4204:35:4204:3512/29/20224:35:42AM11、以我我獨沈沈久，，愧君君相見見頻。。。12月月-2204:35:4204:35Dec-2229-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。04:35:4204:35:4204:35Thursday,December29,202213、乍見翻疑疑夢，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2204:35:4204:35:42December29,202214、他鄉(xiāng)生白白發(fā)，舊國國見青山。。。29十二二月20224:35:42上上午04:35:4212月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月224:35上上午午12月月-2204:35December29,202216、行行動動出出成成果果，，工工作作出出財財富富。。。。2022/12/294:35:4204:35:4229December202217、做前前，能能夠環(huán)環(huán)視四四周；；做時時，你你只能能或者者最好好沿著著以腳腳為起起點的的射線線向前前。。。4:35:42上上午4:35上上午午04:35:4212月月-229、沒有失失敗，只只有暫時時停止成成功！。。12月-2212月-22Thursday,December29,202210、很多事事情努力力了未必必有結果果，但是是不努力力卻什么么改變也也沒有。。。04:35:4204:35:4204:3512/29/20224:35:42AM11、成功功就是是日復復一日日那一一點點點小小小努力力的積積累。。。12月月-2204:35:4204:35Dec-2229-Dec-2212、世間間成事事，不不求其其絕對對圓滿滿，留留一份份不足足，可可得無無限完完美。。。04:35:4204:35:4204:35Thursday,December29,202213、不不知知香香積積寺寺，，數數里里入入云云峰峰。。。。12月月-2212月月-2204:35:4204:35:42December29,202214、意志堅強強的人能把把世界放在在手中像泥泥塊一樣任任意揉捏。。29十二二月20224:35:42上上午04:35:4312月-2215、楚塞塞三湘湘接，，荊門門九派派通