操作系統(tǒng)講稿課件

第六章設(shè)備管理1.掌握設(shè)備管理的功能和任務(wù)；2.掌握設(shè)備的分類方法；3.掌握I/O控制的實(shí)現(xiàn)；4.掌握通道的功能、特點(diǎn)、類型及工作方式。本章重點(diǎn)：1.通道的工作方式；2.I/O控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)；3.虛擬設(shè)備技術(shù)。本章難點(diǎn)：

第六章設(shè)備管理1.掌握設(shè)備管理的功能和任務(wù)；本章重點(diǎn)：1.概述設(shè)備管理的任務(wù)和功能設(shè)備工作的I/O控制方式處理輸入輸出請(qǐng)求的步驟中斷系統(tǒng)緩沖技術(shù)設(shè)備分配虛擬設(shè)備小結(jié)

概述6.1概述設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)：雜，五花八門，種類多，物理特性不同一、設(shè)備分類系統(tǒng)設(shè)備

：

用戶設(shè)備：OS生成時(shí)已在系統(tǒng)中登記的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

OS生成后由用戶定義的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備

1.按所屬關(guān)系分

如：keyboard,CRT

如：實(shí)時(shí)系統(tǒng)中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等

6.1概述設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)：雜，五花八門，種類多，物理特性不同塊設(shè)備

：

字符設(shè)備：磁盤、磁帶、光盤

CRT、Printer、Keyboard

2.按信息傳輸?shù)幕締挝环?/p>

輸入設(shè)備

：

輸出設(shè)備：KeyboardPrinter3.按操作方式輸入/輸出設(shè)備：磁盤

塊設(shè)備：字符設(shè)備：磁盤、磁帶、光盤CRT、Print共享設(shè)備：

獨(dú)占設(shè)備：磁盤（多道作業(yè)可以同時(shí)從該設(shè)備上存取信息）打印機(jī)4.按設(shè)備的分配特性存儲(chǔ)設(shè)備

：

輸入輸出設(shè)備：磁帶、磁盤、光盤等

鍵盤、打印機(jī)、CRT、繪圖儀等

5.設(shè)備的使用特性終端設(shè)備：通用終端、專用終端、虛擬終端等脫機(jī)設(shè)備：共享設(shè)備：獨(dú)占設(shè)備：磁盤（多道作業(yè)可以同時(shí)從該設(shè)備上打6.2設(shè)備管理的任務(wù)和功能一、基本任務(wù)選擇和分配輸入輸出設(shè)備以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作控制輸入輸出設(shè)備和CPU(或內(nèi)存)之間交換數(shù)據(jù)為用戶提供一個(gè)透明的接口，把用戶和設(shè)備硬件特性分開，使得用戶在編程時(shí)不必涉及具體硬件設(shè)備，系統(tǒng)按用戶的要求控制設(shè)備工作。提高設(shè)備與設(shè)備之間、CPU與設(shè)備之間，以及進(jìn)程與進(jìn)程之間的并行操作程度，使操作系統(tǒng)獲得最佳效率6.2設(shè)備管理的任務(wù)和功能一、基本任務(wù)選擇和分配輸入輸出二、功能提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)之間的接口設(shè)備的分配與回收：設(shè)備的啟動(dòng)與中斷處理：緩沖區(qū)的管理實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備和CPU之間的并行操作：二、功能提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)之間的接口設(shè)備的分配與回收：6.3設(shè)備工作的I/O控制方式循環(huán)測試方式（程序直接控制方式）CPU與設(shè)備只能串行工作：由用戶程序來直接控制內(nèi)存或CPU和外設(shè)之間的信息傳送。外設(shè)工作時(shí)，處理機(jī)不斷通過一條測試指令測試外設(shè)工作是否完成。100％占CPU，CPU利用率低，。設(shè)備不能并行工作：不能發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備和其他硬件產(chǎn)生的錯(cuò)誤：GO6.3設(shè)備工作的I/O控制方式循環(huán)測試方式（程序直接控制方外圍設(shè)備接收到start命令做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備準(zhǔn)備完畢？否是標(biāo)志觸發(fā)器置“Done”等待CPU的下調(diào)指令CPU發(fā)送start命令設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器為“Done”？否等待是執(zhí)行下條指令，開始數(shù)據(jù)傳輸R外圍設(shè)備接收到start命令做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備準(zhǔn)備完畢？否中斷方式：處理機(jī)與外圍設(shè)備之間有中斷請(qǐng)求線，設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器設(shè)置中斷允許位I/O設(shè)備1I/O控制器1數(shù)據(jù)線CPU地址線控制線I/O設(shè)備nI/O控制器n內(nèi)存start控制狀態(tài)寄存器啟動(dòng)位…中斷位…數(shù)據(jù)緩沖寄存器中斷方式：處理機(jī)與外圍設(shè)備之間有中斷請(qǐng)求線，設(shè)備I/O設(shè)備外圍設(shè)備接收到start命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將其置入緩沖寄存器緩沖寄存器滿嗎？否是控制器發(fā)中斷信號(hào)CPU向設(shè)備發(fā)送start命令，將中斷允許位置“1”收到中斷信號(hào)了嗎？否中斷處理是被中斷的程序執(zhí)行調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程其他進(jìn)程執(zhí)行外圍設(shè)備接收到start命令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將其緩沖寄存否是控制器設(shè)備與設(shè)備可以并行，設(shè)備與CPU可以并行數(shù)據(jù)緩沖寄存器較小，一次數(shù)據(jù)傳送過程中發(fā)生中斷次數(shù)較多，CPU可能“陷入”中斷。中斷方式特點(diǎn)：設(shè)備與設(shè)備可以并行，設(shè)備與CPU可以并行數(shù)據(jù)緩沖寄存器較小，DMA控制方式：基本思想：在外設(shè)和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通道DMA方式中，I/O控制器具有比中斷方式和程序直接控制方式更強(qiáng)的功能。DMA方式除了控制狀態(tài)寄存器和數(shù)據(jù)緩沖寄存器之外，還包括傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器、內(nèi)存地址寄存器等。DMA方式通過竊取或挪用CPU指令周期的方式把數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)直接送到內(nèi)存地址寄存器所指向的內(nèi)存區(qū)在數(shù)據(jù)塊傳送開始時(shí)需要CPU的啟動(dòng)指令，結(jié)束時(shí)發(fā)中斷通知CPU，中間不需要CPU干預(yù)。DMA控制方式：基本思想：在外設(shè)和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交I/O設(shè)備DMA控制器CPU內(nèi)存start控制狀態(tài)寄存器啟動(dòng)位…中斷位…數(shù)據(jù)緩沖寄存器Int數(shù)據(jù)傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器內(nèi)存地址寄存器I/O設(shè)備DMA控制器CPU內(nèi)存start控制狀態(tài)寄存器啟動(dòng)外圍設(shè)備DMA控制器接收到start命令啟動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳送字節(jié)數(shù)=0？否是發(fā)中斷信號(hào)，停止I/OCPU發(fā)送start命令，內(nèi)存地址送入內(nèi)存始址寄存器傳送字節(jié)數(shù)送入字節(jié)寄存器將中斷允許位置“1”收到中斷信號(hào)了嗎？否中斷處理是調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程被調(diào)度進(jìn)程執(zhí)行數(shù)據(jù)入數(shù)據(jù)緩沖寄存器緩沖寄存器內(nèi)容入內(nèi)存修改傳送字節(jié)數(shù)、計(jì)數(shù)器、內(nèi)存地址外圍設(shè)備DMA控制器啟動(dòng)設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)傳送字節(jié)數(shù)=0？否是發(fā)中大大減少CPU處理次數(shù)數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成。DMA方式特點(diǎn)：對(duì)外圍設(shè)備的管理和某些操作仍然由CPU管，大中型機(jī)器中設(shè)備種類繁多，數(shù)量大，增加了CPU的負(fù)擔(dān)。大大減少CPU處理次數(shù)數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過通道方式：以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。數(shù)據(jù)傳送方向、內(nèi)存始址、傳送長度等由通道控制，一個(gè)通道可以控制多臺(tái)設(shè)備工作基本思想：通道是專管I/O操作的部件，控制設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換，有自己的通道指令，這些通道指令受CPU啟動(dòng)，結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)中斷信號(hào)。通道方式：以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方內(nèi)存通道1通道2控制器1控制器2控制器3設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3通道連接方式：四級(jí)三連接內(nèi)通道1通道2控制器1控制器2控制器3設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3通通道類型：適用于低速設(shè)備，如終端、打印機(jī)等字節(jié)多路通道：以字節(jié)為單位傳輸數(shù)據(jù)，可以同時(shí)控制多臺(tái)外設(shè)工作。數(shù)組多路通道：以塊為單位傳輸數(shù)據(jù)，可以同時(shí)控制多臺(tái)外設(shè)工作。適用于中速塊設(shè)備，如磁帶機(jī)等數(shù)組選擇通道：以塊為單位傳輸數(shù)據(jù)，每次只能控制一臺(tái)外設(shè)工作。適用于高速塊設(shè)備，如磁盤機(jī)等通道類型：適用于低速設(shè)備，如終端、打印機(jī)等字節(jié)多路通道：通道方式的數(shù)據(jù)輸入處理過程：當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU發(fā)出Start指令指明I/O操作、設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)通道。對(duì)應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來的啟動(dòng)指令Start之后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，設(shè)置對(duì)應(yīng)設(shè)備的I/O控制器中的控制狀態(tài)寄存器。設(shè)備根據(jù)通道指令的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存中的指定區(qū)域。若數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請(qǐng)求線發(fā)中斷信號(hào)請(qǐng)求CPU做中斷處理。中斷處理結(jié)束后CPU返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行。通道方式的數(shù)據(jù)輸入處理過程：當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CP6.4處理輸入輸出請(qǐng)求的步驟(5)(4)(3)…用戶進(jìn)程PUSHCTRLPTRPUSHBUFFPTRCallIOCSBUFFERIOCS阻塞調(diào)用者驗(yàn)證I/O請(qǐng)求調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序校驗(yàn)狀態(tài)激活調(diào)用者返回到調(diào)用者設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序初始化I/O傳送數(shù)據(jù)返回IOCS（1）（2）6.4處理輸入輸出請(qǐng)求的步驟(5)(4)(3)…用戶進(jìn)程I6.5中斷系統(tǒng)一、定義：在系統(tǒng)發(fā)生了非尋常或非預(yù)期的急需處理事件時(shí)，CPU中斷當(dāng)前程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序。二、中斷源：引起中斷的事件。時(shí)鐘、I/O，、違例、外部、故障、系統(tǒng)調(diào)用分類內(nèi)外分類硬軟分類自愿隨機(jī)6.5中斷系統(tǒng)一、定義：在系統(tǒng)發(fā)生了非尋?；蚍穷A(yù)期的急需處三、中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)四、中斷相應(yīng)：CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序。中斷相應(yīng)關(guān)鍵是現(xiàn)場切換，由硬件完成。（1）將PSW等重要請(qǐng)求者的值送入內(nèi)存。（2）把中斷處理程序的PSW放入PSW。五、中斷優(yōu)先級(jí)：決定對(duì)中斷源的響應(yīng)次序。六、關(guān)中斷：CPU內(nèi)部的處理機(jī)狀態(tài)字PSW的中斷允許位被清除，從而不允許CPU相應(yīng)中斷。七、中斷屏蔽：系統(tǒng)用軟件方式有選擇的封鎖部分中斷而允許其他中斷得到響應(yīng)。三、中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)四、中斷八、中斷的意義：（1）無中斷，不能實(shí)現(xiàn)多道。（2）無中斷，用戶程序無法與OS程序聯(lián)系。九、中斷處理程序關(guān)中斷保護(hù)現(xiàn)場分析中斷原因，轉(zhuǎn)中斷處理程序執(zhí)行中斷處理程序恢復(fù)現(xiàn)場開中斷返回中斷點(diǎn)八、中斷的意義：（1）無中斷，不能實(shí)現(xiàn)多道。（2）無中斷，6.6緩沖技術(shù)一、引入：提高CPU與外設(shè)的并行工作程度，解決CPU與外設(shè)速度嚴(yán)重不匹配的問題。二、緩沖實(shí)現(xiàn)硬：緩存軟：緩沖區(qū)6.6緩沖技術(shù)一、引入：提高CPU與外設(shè)的并行工作程度，三、緩沖類型：1.單緩沖:CPU與外設(shè)之間設(shè)置一個(gè)BUFFER緩沖二者之間的速度差異。由于需要對(duì)緩沖區(qū)互斥使用，因此設(shè)備之間不能通過單緩沖實(shí)現(xiàn)并行2.雙緩沖:CPU與外設(shè)之間設(shè)置兩個(gè)BUFFER緩沖二者之間的速度差異可以實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)外設(shè)、打印機(jī)和終端之間的并行；例如：其中一個(gè)緩沖區(qū)用于打印、另一個(gè)用于讀入數(shù)據(jù)3.多緩沖:把多個(gè)緩沖區(qū)連接起來組成兩部分，一部分專門用于輸入，另一部分專門由于輸出4.緩沖池:把多個(gè)緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，即可用于輸入，又可用于輸出。（誰用誰申請(qǐng)）三、緩沖類型：1.單緩沖:CPU與外設(shè)之間設(shè)置一個(gè)BUFF6.7設(shè)備分配一、設(shè)備分配用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、設(shè)備控制表DCT（DeviceControlTable）反映設(shè)備的特性、設(shè)備和I/O控制器的連接情況(每個(gè)設(shè)備一張)DCT在系統(tǒng)生成時(shí)或該設(shè)備與系統(tǒng)連接時(shí)創(chuàng)建，一般包括：①設(shè)備標(biāo)識(shí)符：用來區(qū)別設(shè)備②設(shè)備類型：反映設(shè)備特性，例如：終端、字符、塊③設(shè)備地址或設(shè)備號(hào)：④設(shè)備狀態(tài)：工作還是空閑⑤等待隊(duì)列指針：等待使用該設(shè)備的進(jìn)程等待隊(duì)列的隊(duì)首和隊(duì)尾指針。⑥I/O控制器指針：指向與該設(shè)備相連的I/O控制器6.7設(shè)備分配一、設(shè)備分配用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)1、設(shè)備控制表DCT2、系統(tǒng)設(shè)備表SDT（SystemDeviceTable）記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，為每個(gè)物理設(shè)備設(shè)置一個(gè)表項(xiàng)，(整個(gè)系統(tǒng)一張)，一般包括：①DCT指針：指向設(shè)備的DCT②正在使用設(shè)備的進(jìn)程標(biāo)識(shí)：③設(shè)備類型和設(shè)備標(biāo)識(shí)符：SDT的意義是反映系統(tǒng)中設(shè)備資源的狀態(tài)，即：系統(tǒng)中有多少設(shè)備，多少空閑，非空閑設(shè)備分別分給了哪些進(jìn)程？2、系統(tǒng)設(shè)備表SDT（SystemDeviceTable3、控制器表COCT（ControllerControlTable）反映了I/O控制器的使用狀況以及和通道的連接情況等，DMA方式無。每個(gè)控制器一張，一般包括：①控制器標(biāo)識(shí)符②控制器狀態(tài)③指向相應(yīng)通道表的指針：3、控制器表COCT（ControllerControl4、通道表CHCT（ChanalControlTable）每個(gè)通道一張，一般包括：①通道標(biāo)識(shí)符②通道狀態(tài)③等待該通道的隊(duì)列指針：一個(gè)進(jìn)程只有獲得了通道，控制器和所需設(shè)備之后，才具有I/O操作的條件4、通道表CHCT（ChanalControlTable二、設(shè)備分配1、分配原則：充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率避免由于不合理的分配方法造成的死鎖要用戶程序和具體物理設(shè)備隔離開2.分配方式靜態(tài)分配：用戶作業(yè)開始之前，系統(tǒng)一次性分配所有設(shè)備、控制器、通道。無死鎖、效率低動(dòng)態(tài)分配：進(jìn)程執(zhí)行過程中根據(jù)需要進(jìn)行分配。效率高，可能引起死鎖二、設(shè)備分配1、分配原則：充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率避免由于不3、分配技術(shù)：獨(dú)占共享虛擬4.分配策略先請(qǐng)求先分配優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先分配3、分配技術(shù)：獨(dú)占共享虛擬4.分配策略先請(qǐng)求先分配三、設(shè)備分配程序1、分配設(shè)備2、分配控制器3、分配通道三、設(shè)備分配程序1、分配設(shè)備2、分配控制器3、分配通道進(jìn)程P發(fā)出I/O請(qǐng)求搜索SDT找到DCT指針該設(shè)備忙嗎？是進(jìn)程P按分配策略入I/O等待隊(duì)列否按分配策略選取占據(jù)該設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程P被選中？否進(jìn)程P等待該設(shè)備空閑檢查該設(shè)備分配給進(jìn)程P的安全性是安全嗎？否是設(shè)備分給進(jìn)程P查找COCT指針11控制器忙嗎？是否控制器分給進(jìn)程P進(jìn)程P等待控制器查找CHCT指針通道忙嗎？否通道分給進(jìn)程P進(jìn)程P等待通道啟動(dòng)I/O是進(jìn)程P發(fā)出I/O請(qǐng)求搜索SDT找到DCT指針該設(shè)備忙嗎？是進(jìn)6.8虛擬設(shè)備

1、引入：為解決多道程序系統(tǒng)中可能因獨(dú)占設(shè)備的數(shù)量不足，速度慢的問題，或長時(shí)間等待的問題，人們想到了利用大容量、可共享的外存。2、實(shí)現(xiàn)：利用共享設(shè)備模擬獨(dú)占設(shè)備，這種模擬對(duì)用戶是完全透明的。預(yù)輸入：在輸入設(shè)備空閑的時(shí)候，把作業(yè)或進(jìn)程執(zhí)行中需要的數(shù)據(jù)放到共享設(shè)備的一塊區(qū)域中保存。當(dāng)進(jìn)程在執(zhí)行過程中需要這些數(shù)據(jù)時(shí)，是從共享設(shè)備，而不是從獨(dú)占設(shè)備輸入緩輸出：當(dāng)進(jìn)程或作業(yè)有信息輸出時(shí)，系統(tǒng)不是把這些信息在輸出設(shè)備上輸出，而是把這些輸出寫到共享設(shè)備的一塊區(qū)域中，然后繼續(xù)進(jìn)程的執(zhí)行。當(dāng)輸出設(shè)備空閑時(shí)，再從共享設(shè)備的這塊區(qū)域中取出數(shù)據(jù)輸出SimultaneousPeripheralOperationsOnLine（SPOOLING）6.8虛擬設(shè)備1、引入：為解決多道程序系統(tǒng)中可能因獨(dú)占設(shè)備6．9小結(jié)

設(shè)備分類：所屬關(guān)系、信息傳輸單位、操作方式、設(shè)備分配特性、設(shè)備使用特性設(shè)備管理的基本任務(wù)和功能設(shè)備工作的I/O控制方式、通道的類型，分別適用于哪類設(shè)備？處理輸入輸出請(qǐng)求的步驟中斷系統(tǒng)：中斷定義、中斷源、請(qǐng)求、響應(yīng)、優(yōu)先級(jí)、關(guān)、屏蔽、意義、處理緩沖引入、實(shí)現(xiàn)、類型設(shè)備分配數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、原則、策略、方式、程序虛擬設(shè)備6．9小結(jié)設(shè)備分類：所屬關(guān)系、信息傳輸單位、操作方式、6．10綜合練習(xí)

在某多道程序系統(tǒng)中，供用戶使用的內(nèi)存空間有100K，磁帶機(jī)2臺(tái)，打印機(jī)1臺(tái)。系統(tǒng)采用可變式分