軟件技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)備管理

軟件技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)備管理第一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.1設(shè)備管理概述外部設(shè)備：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除了中央處理機(jī)和主存儲(chǔ)器外的其它設(shè)備稱為外部設(shè)備。設(shè)備管理就是對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的管理，向用戶提供簡(jiǎn)單而一致的方式訪問(wèn)各種I/O設(shè)備。第二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、設(shè)備分類按工作特點(diǎn)：輸入輸出設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備按資源分配方式：獨(dú)占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備按信息交換單位：字符設(shè)備塊設(shè)備第三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、設(shè)備管理的任務(wù)與功能按照設(shè)備類型和系統(tǒng)分配策略進(jìn)行設(shè)備分配與回收向用戶提供統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)——真正的I/O操作緩沖區(qū)管理實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備管理方便用戶使用設(shè)備1完成設(shè)備分配2完成真正的I/O操作3實(shí)現(xiàn)CPU與I/O設(shè)備間的速度匹配4第四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三CPU存儲(chǔ)器高速I/O設(shè)備共享總線低速I/O設(shè)備設(shè)備控制器微機(jī)I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)第五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三基于主存和通道的I/O系統(tǒng)CPU主存通道通道通道通道某I/O設(shè)備磁盤磁帶通信設(shè)備主存可同時(shí)進(jìn)行控制通道與CPU共享主存通道代替CPU完成與設(shè)備控制器的通信第六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1、什么是設(shè)備控制器位于CPU與設(shè)備之間，接收CPU下達(dá)的輸入、輸出命令并控制具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)操作。一個(gè)控制器可控制一個(gè)或多個(gè)I/O設(shè)備。存在形式為各種接口卡。設(shè)備控制器2、設(shè)備控制器功能接收和識(shí)別命令；數(shù)據(jù)暫存、緩沖；監(jiān)測(cè)設(shè)備狀態(tài)。數(shù)據(jù)接口、控制接口、狀態(tài)接口3、設(shè)備控制器與設(shè)備的接口第七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4、設(shè)備控制器組成控制器與CPU的接口單元控制器與設(shè)備接口單元I/O邏輯單元數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)寄存器地址線I/O邏輯控制線數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)控制器與設(shè)備接口控制器與設(shè)備接口第八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.2數(shù)據(jù)傳送控制方式設(shè)備管理的主要任務(wù)就是控制設(shè)備與CPU間的數(shù)據(jù)傳遞，主要有以下數(shù)傳控制方式：中斷控制方式2直接內(nèi)存訪問(wèn)（DMA）方式3通道（Channel）方式4程序查詢方式1第九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、程序查詢方式由程序循環(huán)查詢外部設(shè)備的狀態(tài)，在外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)CPU只能等待。開(kāi)始接收數(shù)據(jù)有數(shù)據(jù)接收？否是忙等接收開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)設(shè)備空閑？否是忙等發(fā)送第十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、中斷控制方式外部設(shè)備與CPU之間傳遞數(shù)據(jù)通過(guò)專門的中斷請(qǐng)求信號(hào)來(lái)進(jìn)行。I/O操作由程序發(fā)起，在操作完成時(shí)（如數(shù)據(jù)可讀或已經(jīng)寫入）由外設(shè)向CPU發(fā)出中斷，CPU完成數(shù)據(jù)的讀寫。要求：專門的中斷請(qǐng)求線、專門的中斷標(biāo)志位優(yōu)點(diǎn)：在外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，CPU不必等待——實(shí)現(xiàn)了讓權(quán)等待。缺點(diǎn)：CPU每次處理的數(shù)據(jù)量少（通常以字節(jié)為單位），適于數(shù)據(jù)傳輸率較低的設(shè)備。第十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三進(jìn)程利用中斷實(shí)現(xiàn)輸入、輸出流程：初始化阻塞等待輸入控制設(shè)備完成輸入根據(jù)中斷類型喚醒等待進(jìn)程設(shè)備產(chǎn)生輸入中斷輸入向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)阻塞等待輸出完成根據(jù)中斷喚醒等待進(jìn)程設(shè)備產(chǎn)生輸出中斷輸出第十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、直接內(nèi)存訪問(wèn)方式(DMA)引入思想：減少CPU在數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中的干預(yù)，DMA控制器完成內(nèi)存與外設(shè)的成批數(shù)據(jù)交換。優(yōu)點(diǎn)：CPU只需干預(yù)I/O操作的開(kāi)始和結(jié)束，而其中的一批數(shù)據(jù)讀寫無(wú)需CPU控制，適于高速設(shè)備。第十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三由程序設(shè)置DMA控制器中的若干寄存器值（如內(nèi)存始址，傳送字節(jié)數(shù)），然后發(fā)起I/O操作；數(shù)據(jù)直接在DMA控制器控制下通過(guò)總線傳遞到內(nèi)存中；在完成指定量的數(shù)據(jù)接收后，DMA控制器才向CPU產(chǎn)生中斷；通過(guò)中斷處理程序喚醒等待數(shù)據(jù)的進(jìn)程；等待數(shù)據(jù)的進(jìn)程經(jīng)過(guò)調(diào)度處理輸入的數(shù)據(jù)。DMA過(guò)程：不再每個(gè)字符傳遞后發(fā)中斷，實(shí)現(xiàn)了塊傳遞再中斷，減少了CPU的占用時(shí)間第十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三中斷控制方式與DMA方式CPU總線I/O設(shè)備內(nèi)存中斷CPUI/O設(shè)備內(nèi)存DMA中斷：通知已傳輸完畢第十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三四、通道方式通過(guò)執(zhí)行通道程序并行完成一系列輸入輸出過(guò)程通道：通道是一種特殊的處理機(jī)，具有執(zhí)行I/O指令的能力，通過(guò)執(zhí)行通道程序來(lái)控制I/O操作。1、通道程序有自己的指令系統(tǒng)，是一個(gè)相對(duì)完整的過(guò)程。CPU只需向通道發(fā)出一條指令，通道便從內(nèi)存中取出本次執(zhí)行的通道程序并執(zhí)行。2、通道之間可以并行執(zhí)行，進(jìn)一步減少了CPU對(duì)輸入輸出過(guò)程的干預(yù)。提高CPU與設(shè)備之間的并行性，提高資源利用率。3、主機(jī)具有一個(gè)或多個(gè)通道，一個(gè)通道可管理一個(gè)或多個(gè)設(shè)備控制器；通道和CPU共享一個(gè)主存特點(diǎn)：第十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備設(shè)備通道設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備主存CPU通道設(shè)備控制器設(shè)備控制器設(shè)備設(shè)備通道設(shè)備多通路系統(tǒng)第十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.3緩沖技術(shù)作用：解決CPU與I/O設(shè)備速度匹配問(wèn)題速度1速度2基本思想：在內(nèi)存中開(kāi)辟一定的專用區(qū)域，作為CPU和I/O設(shè)備之間進(jìn)行信息交流的工作區(qū)緩沖區(qū)第十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三緩沖區(qū)的組織專用緩沖區(qū)：為某臺(tái)設(shè)備專門設(shè)置的，單獨(dú)使用的緩沖區(qū)公用緩沖區(qū)：為多臺(tái)或者全部設(shè)備設(shè)置的，共享的緩沖區(qū)按使用方式劃分：按數(shù)量劃分：?jiǎn)尉彌_區(qū)雙緩沖區(qū)多緩沖區(qū)循環(huán)緩沖緩沖池：由多個(gè)大小相等的緩沖區(qū)連接起來(lái)構(gòu)成緩沖池第十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.單緩沖區(qū)在CPU和設(shè)備之間設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)速度1速度2注意：1.單緩沖區(qū)是臨界資源，讀寫必須互斥訪問(wèn)。2.單緩沖區(qū)只能實(shí)現(xiàn)匹配速度，不能實(shí)現(xiàn)并行操作。第二十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.雙緩沖區(qū)在CPU和設(shè)備之間設(shè)置兩個(gè)緩沖區(qū)設(shè)備1設(shè)備2CPU提高了CPU與設(shè)備之間的并行度第二十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三多個(gè)緩沖區(qū)循環(huán)使用，類似循環(huán)隊(duì)列next_innext_outCPU設(shè)備輸入3.循環(huán)緩沖第二十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三4.緩沖池可供多個(gè)對(duì)象共享的公用緩沖區(qū)組成的緩沖池緩沖區(qū)1緩沖區(qū)2緩沖區(qū)3緩沖區(qū)4緩沖區(qū)1緩沖區(qū)緩沖體緩沖區(qū)首部設(shè)備號(hào)緩沖區(qū)號(hào)緩沖區(qū)地址狀態(tài)數(shù)據(jù)塊號(hào)互斥標(biāo)識(shí)位設(shè)備緩沖隊(duì)列指針數(shù)據(jù)緩沖池中的緩沖區(qū)根據(jù)使用情況劃分為3種隊(duì)列：inq：滿輸入緩沖區(qū)隊(duì)列outq：滿輸出緩沖區(qū)隊(duì)列emptyq：空緩沖區(qū)隊(duì)列從設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊(duì)列準(zhǔn)備向設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)隊(duì)列第二十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三緩沖池操作（四種操作）設(shè)備輸入數(shù)據(jù)到緩沖池getemptybuffer;filldatainbuffer;putbufferininq;收容輸入用戶從緩沖池讀入數(shù)據(jù)getbufferfrominq;calculetdatainbuffer;putbufferbacktoemptyq提取輸入用戶向數(shù)據(jù)緩沖池輸出數(shù)據(jù)getbufferfromoutq;Senddata;putbufferinemptyq;收容輸出設(shè)備從緩沖池中讀出輸出數(shù)據(jù)并完成輸出getbufferfromemptyq;filldatainbuffer;putbufferoutq;提取輸出緩沖池設(shè)備CPU第二十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三緩沖池的組成emptyqinqoutq收容輸入提取輸出提取輸入收容輸出設(shè)備CPU數(shù)據(jù)到達(dá)取走數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)取走發(fā)送第二十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.4設(shè)備分配技術(shù)設(shè)備分配：按一定策略和原則為申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的進(jìn)程分配設(shè)備，包括對(duì)設(shè)備、設(shè)備控制器、通道的分配。分配原則：1、保證申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的進(jìn)程能分配到設(shè)備。2、保證設(shè)備分配給該進(jìn)程是安全的。分配方式：靜態(tài)分配、動(dòng)態(tài)分配第二十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、設(shè)備分配的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、設(shè)備控制表DCT（DeviceControlTable）記錄設(shè)備信息及設(shè)備的控制器表設(shè)備標(biāo)識(shí)設(shè)備類型設(shè)備狀態(tài)設(shè)備地址或設(shè)備號(hào)設(shè)備等待隊(duì)列指針I(yè)/O控制器指針每個(gè)設(shè)備一張，可動(dòng)態(tài)更改第二十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2、系統(tǒng)設(shè)備表SDT

（SystemDeviceTable）記錄系統(tǒng)中所有設(shè)備情況DCT指針占用設(shè)備的進(jìn)程ID設(shè)備類型一個(gè)系統(tǒng)只有一張每個(gè)設(shè)備在SDT中占一個(gè)表項(xiàng)3、控制器表COCT（ControllerControlTable）4、通道控制表CHCT（ChannelControlTable）記錄I/O控制器信息及通道控制表記錄通道信息第二十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三設(shè)備名設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表設(shè)備名設(shè)備控制表SDT設(shè)備名設(shè)備控制器設(shè)備名設(shè)備控制器狀態(tài)狀態(tài)控制器名通道控制表狀態(tài)控制器名通道控制表狀態(tài)DCTCOCT通道標(biāo)識(shí)狀態(tài)通道標(biāo)識(shí)狀態(tài)CHCT申請(qǐng)SDTDCTCOCTCHCTP.149圖2.53設(shè)備的分配過(guò)程：第二十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、設(shè)備分配應(yīng)考慮的因素1、設(shè)備的固有屬性：獨(dú)占（靜態(tài)分配）、共享（動(dòng)態(tài)分配）2、分配的算法：當(dāng)申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的進(jìn)程有多個(gè)、可用設(shè)備有多個(gè)時(shí)3、設(shè)備分配的安全性：死鎖先申請(qǐng)的進(jìn)程先滿足FIFO；按進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)分配安全分配：非請(qǐng)求和保持，CPU與設(shè)備串行工作不安全分配：分配設(shè)備時(shí)應(yīng)該進(jìn)行安全性狀態(tài)檢測(cè)4、邏輯設(shè)備與物理設(shè)備的獨(dú)立性用戶使用邏輯設(shè)備，由系統(tǒng)控制具體的物理設(shè)備；系統(tǒng)能根據(jù)用戶提供的邏輯設(shè)備名找到相應(yīng)的物理設(shè)備第三十頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.5虛擬設(shè)備技術(shù)（Spooling）其它輸入井輸出井高速高速脫機(jī)：輸入、輸出是脫離主機(jī)完成的?？客鈬鷻C(jī)的控制輸入、輸出設(shè)備與磁盤交換數(shù)據(jù)。CPU只與高速磁盤（磁帶）交換數(shù)據(jù)，脫離主機(jī)進(jìn)行脫離主機(jī)進(jìn)行第三十一頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三技術(shù)要點(diǎn)：（1）多道程序并發(fā)執(zhí)行（2）一道程序模擬外圍機(jī)的輸入，將數(shù)據(jù)從設(shè)備輸入到磁盤（3）一道程序模擬外圍機(jī)的輸出，將數(shù)據(jù)從磁盤輸出到設(shè)備（4）其它程序與設(shè)備的通信和脫機(jī)方式一樣：讀寫高速磁盤（5）主機(jī)仍要控制外圍設(shè)備——“假脫機(jī)”特點(diǎn)：（1）提高了進(jìn)程訪問(wèn)低速設(shè)備速率（2）獨(dú)占設(shè)備成為虛擬設(shè)備（3）獨(dú)占設(shè)備成為共享設(shè)備SPOOLing技術(shù)——偽脫機(jī)技術(shù)第三十二頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三其它輸入井：外圍計(jì)算機(jī)輸出井：外圍計(jì)算機(jī)高速高速用戶程序其它低速硬盤低速模擬輸入高速模擬輸出高速用戶程序獲得：高速輸入高速輸出模擬模擬第三十三頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.5.6I/O管理與控制功能：（1）解釋I/O指令（2）發(fā)動(dòng)并完成具體I/O操作（3）響應(yīng)設(shè)備及控制器的I/O請(qǐng)求，調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序——在分配程序完成設(shè)備分配之后進(jìn)行實(shí)現(xiàn)方式：（1）為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程靈活（2）在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程統(tǒng)一管理（3）不設(shè)置進(jìn)程而是提供模塊以供用戶及系統(tǒng)調(diào)用減少進(jìn)程數(shù)量第三十四頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三設(shè)備驅(qū)動(dòng)的特性：中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和控制：不是數(shù)據(jù)和控制的源端和目的端（應(yīng)用程序和設(shè)備）與硬件特性密切相關(guān)：通常由硬件廠商提供向上屏蔽設(shè)備細(xì)節(jié)：不同類型設(shè)備通常其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口不同，同類設(shè)備的接口相同。因此，同類設(shè)備的不同型號(hào)，只要更換設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可由OS使用。第三十五頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三設(shè)備驅(qū)動(dòng)處理過(guò)程：（1）解釋CPU的I/O要求，檢查合法性（2）檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)（3）啟動(dòng)執(zhí)行：填寫設(shè)備控制器的寄存器（4）啟動(dòng)I/O操作后阻塞輸出：等待設(shè)備發(fā)送結(jié)束中斷輸入：等待設(shè)備數(shù)據(jù)到達(dá)中斷（5）中斷處理保護(hù)被中斷進(jìn)程CPU現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)入對(duì)中斷事件處理的程序喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序恢復(fù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)并繼續(xù)執(zhí)行第三十六頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三I/O系統(tǒng)層次模型——體現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性第三十七頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三

UNIX的設(shè)備管理UNIX的外設(shè)與特殊文件對(duì)應(yīng)，由文件系統(tǒng)按文件管理方式進(jìn)行管理，向上提供一個(gè)與文件系統(tǒng)統(tǒng)一的接口。第三十八頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三1.UNIX的I/O結(jié)構(gòu)無(wú)緩存I/O：在進(jìn)程I/O區(qū)域與系統(tǒng)I/O模塊間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；有緩存I/O：有緩存I/O要經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的緩沖區(qū)管理機(jī)構(gòu)；它分成系統(tǒng)緩沖區(qū)(systembuffercaches)和字符隊(duì)列(characterqueues)兩種。按設(shè)備I/O的不同情況，UNIX系統(tǒng)的I/O分成2種：第三十九頁(yè)，共四十三頁(yè)，編輯于2023年，星期三2.