第5章 設(shè)備管理.ppt

1、2020/7/31，1，5章設(shè)備管理，5.1 I/O系統(tǒng)的功能，型號和介面5.2 I/O設(shè)備和設(shè)備控制器5.3中斷機構(gòu)和中斷處理程序5.4設(shè)備驅(qū)動程序5.5設(shè)備獨立I/O軟件5.6用戶層I/O軟件5.7緩沖區(qū)管理5.8磁盤存儲5.1 I/O2，與設(shè)備無關(guān)：邏輯設(shè)備名稱/dev/printer；增加新的設(shè)備驅(qū)動程序3，提高處理器和I/O設(shè)備利用率：處理器和I/O設(shè)備并行運行，2020/7/31，2，I/O系統(tǒng)基本功能，4，I/O設(shè)備控制：I/O設(shè)備控制驅(qū)動程序目前，控制I/O設(shè)備的茄子方法有四種。即，使用輪詢的可編程I/o方法。使用中斷可編程I/O方法；直接內(nèi)存訪問方法I/O通道方法。5、確保設(shè)

2、備的正確共享：獨占設(shè)備(例如打印機)、孔劉設(shè)備(例如磁盤)6、錯誤處理：大多數(shù)設(shè)備包含更多的機器和傳記部分，在運行時發(fā)生錯誤和故障的可能性很高。2020/7/31，3，5 . 1 . 2 I/O I/O軟件層，2020/7/31，4，I/O系統(tǒng)中各種模塊之間的分層視圖，2020/7/父系統(tǒng)包括文件系統(tǒng)、虛擬存儲系統(tǒng)和用戶進程。底部連接器：軟件/硬件(RW/HW)界面連接中斷處理程序和各種設(shè)備控制器，如CD-ROM控制器、硬盤控制器、鍵盤控制器、打印機控制器和網(wǎng)絡(luò)控制器。2020/7/31，6，父介面：I/o系統(tǒng)介面、塊設(shè)備介面數(shù)據(jù)訪問和傳輸塊單元設(shè)備(如磁盤)。設(shè)備具有高傳輸速率、可尋址性，I

3、/O使用DMA方法。流式設(shè)備接口也稱為字符設(shè)備(數(shù)據(jù)訪問和傳輸字符單元)接口。字符設(shè)備不能尋址，只能按順序讀取，通常為字符設(shè)備設(shè)置一個字符緩沖區(qū)。用戶程序輸入或輸出文字的方法是使用get和put操作。界面提供in-control命令以統(tǒng)一處理各種流設(shè)備。流設(shè)備大多數(shù)是獨占設(shè)備，必須以互斥的方式向牙齒接口提供open和close操作。網(wǎng)絡(luò)通信介面、2020/7/31，7、I/O系統(tǒng)的分層，中斷處理程序位于I/O系統(tǒng)的最低層，與硬件直接交互。首先保存中斷流程CPU環(huán)境，將其移動到相應(yīng)的處理程序，完成后恢復(fù)現(xiàn)場。設(shè)備驅(qū)動程序是進程和設(shè)備控制器之間的通信程序。將上層發(fā)送的抽象I/O請求轉(zhuǎn)換為有關(guān)I/O

4、設(shè)備的特定命令和參數(shù)信息，并將其加載到設(shè)備控制器的命令和參數(shù)寄存器中。與設(shè)備無關(guān)的軟件I/O軟件獨立于具體使用的物理設(shè)備運行。包括設(shè)備命名、設(shè)備分配、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、數(shù)據(jù)高速緩沖區(qū)等。2020/7/31，8，2020/7/31，9，5.2 I/O設(shè)備和設(shè)備控制器，I/O設(shè)備控制器I/O通道總線系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)用于數(shù)據(jù)輸入、輸出和數(shù)據(jù)存儲，2020/7/塊設(shè)備(可尋址)、字符設(shè)備(不可尋址)按設(shè)備的孔劉屬性(僅(即臨界資源)、孔劉(需要可尋址和隨機訪問，如磁盤)、虛擬設(shè)備、鍵盤、鼠標(biāo)和語言)分類，電子組件稱為設(shè)備控制器。CPU和設(shè)備之間的接口。，基本功能：1，接收和識別命令需要控制器控制控制寄存器、

5、接收的命令和參數(shù)存檔和解碼，設(shè)備控制器控制一個或多個I/O設(shè)備以執(zhí)行設(shè)備和電腦之間的數(shù)據(jù)交換。2020/7/31，12，基本功能(繼續(xù)):2，數(shù)據(jù)更換寄存器實現(xiàn)CPU和控制器，控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)更換3，識別和報告設(shè)備狀態(tài)控制器的狀態(tài)寄存器日志記錄設(shè)備狀態(tài)CPU識別4，地址識別地址解碼器每個設(shè)備都有地址。5、解決數(shù)據(jù)緩沖區(qū)I/O設(shè)備和CPU、內(nèi)存速度不匹配的矛盾6、錯誤控制控制器和I/O設(shè)備傳送的數(shù)據(jù)的錯誤檢測、2020/7/31，13、設(shè)備控制器配置：設(shè)備控制器和處理器之間的接口包括數(shù)據(jù)線、地址線、控制線設(shè)備控制器和設(shè)備之間的介面每個接口上的數(shù)據(jù)、7/31，13設(shè)備與控制器之間的數(shù)據(jù)信號控

6、制信號線：控制器向設(shè)備發(fā)送控制信號時的路徑狀態(tài)信號線：通過發(fā)送指示設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的信號I/O邏輯，實現(xiàn)設(shè)備的控制CPU利用率，負責(zé)命令解碼和地址解碼。2020/7/31、14、2020/7/31、15、5.2.3、I/O通道、通道是用于I/O處理的專用處理器，用于控制內(nèi)存和外圍設(shè)備的直接數(shù)據(jù)交換。目的：設(shè)置獨立的I/O操作，CPU向通道發(fā)送I/O命令，通道運行通道程序，完成I/O，然后向CPU發(fā)送中斷信號。通道與一般處理器不同。命令類型是單一的，只能執(zhí)行I/O命令。通道沒有自己的內(nèi)存，通道程序放在主內(nèi)存中。2020/7/31，16，通道類型字節(jié)多路復(fù)用通道：每個子通道連接I/O設(shè)備，并使用多路復(fù)

7、用通過時間片旋轉(zhuǎn)共享主通道的字節(jié)交叉操作通道。陣列選擇通道：字節(jié)多路復(fù)用不適合高速設(shè)備連接。連接多個高速設(shè)備，可以單獨使用，在一段時間內(nèi)只能運行一個通道程序。組(塊)傳輸陣列多路復(fù)用通道：陣列選擇通道“高波特率”和字節(jié)多路復(fù)用通道“分時并行操作”的優(yōu)點數(shù)據(jù)傳輸可能需要按陣列連接多個高速外圍設(shè)備，2020/7/31，17，“瓶頸”問題通道資源有限，系統(tǒng)可能需要同時啟動。22ISA和EISA總線ISA:1984年；帶寬：8位16位；最大傳輸速率：216Mbps可連接12個設(shè)備。EISA:1989年，帶寬：32位，最大波特率：32Mbps，可連接12臺設(shè)備。2020/7/31，20，定義本地總線：多

8、媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能圖形板等直接連接到ISA總線，通過本地總線控制器直接連接到CPU總線(高速CPU總線)。VESA總線：32位總線帶寬，最大傳輸速率：132Mbps，可連接24個設(shè)備，控制器中無緩沖：PCI總線：支持64位系統(tǒng)，最大傳輸速率：500Mbps，支持10茄子外圍設(shè)備，復(fù)雜的管理層，管理層具有數(shù)據(jù)緩沖、5.3 CPU對中斷機構(gòu)和中斷處理程序、中斷和切入中斷：I/O設(shè)備發(fā)送的中斷信號的響應(yīng)。中斷是由外部設(shè)備引起的，因此也稱為外中斷。切入：由CPU內(nèi)部事件(例如非法命令、地址溢出等)引起的中斷稱為內(nèi)部中斷或陷阱。，2020/7/31，21，中斷矢量和中斷優(yōu)先級，中斷矢量=(中

9、斷編號，中斷處理程序的入口地址)指定與每個設(shè)備的中斷請求相對應(yīng)的中斷編號，為中斷矢量表中表條目的每個設(shè)備放置相應(yīng)的中斷處理程序，將程序的入口地址放置在中斷中，中斷優(yōu)先級為每個中斷信號源設(shè)置不同的優(yōu)先級。鍵盤終端的中斷請求沒有打印機那么緊急，打印機中斷請求也沒有磁盤那么緊急。2020/7/31，22，如何處理各種中斷源，如果系統(tǒng)在打印機中斷處理過程中收到高優(yōu)先級磁盤中斷信號：所有中斷屏蔽(禁止)中斷屏蔽，中斷完成后按順序處理新中斷。嵌套中斷優(yōu)先級高的中斷請求可以搶占正在運行的優(yōu)先級低的中斷處理器，類似于基于優(yōu)先級的搶占過程調(diào)度。2020/7/31，23，2020/7/31，24，5.3.2中斷處

10、理程序，中斷處理程序的主要任務(wù)：執(zhí)行進程上下文中的切換、測試中斷信號源處理、讀取設(shè)備狀態(tài)、修改進程狀態(tài)等請求I/O操作時，進程暫停。設(shè)備控制器向CPU發(fā)送中斷請求，直到設(shè)備完成I/O操作。在CPU響應(yīng)后切換到中斷處理程序。中斷處理程序執(zhí)行適當(dāng)?shù)奶幚?，并在處理后解除進程的阻塞狀態(tài)。2020/7/31，25，喚醒被阻止的車手(節(jié)目)進程，將中斷進程的CPU環(huán)境切換到相應(yīng)的設(shè)備處理程序，恢復(fù)中斷進程的現(xiàn)場以進行中斷處理。中斷處理程序的處理過程分為以下幾個步驟：2020/7/31，26主要任務(wù)：接收父軟件(如READ、Write等)發(fā)送的抽象要求(如Read、Write等)，然后將其轉(zhuǎn)換為設(shè)備控制器以

11、開始運行設(shè)備。同時，還負責(zé)上層軟件傳輸設(shè)備控制器發(fā)出的信號。2020/7/31，27，2020/7/31，28，1，設(shè)備驅(qū)動程序功能將轉(zhuǎn)換為與設(shè)備無關(guān)的軟件命令和參數(shù)接收，以及特定要求。(磁盤號-磁盤、磁道號、扇區(qū)號)驗證用戶I/O請求的合法性，了解設(shè)備狀態(tài)，發(fā)出參數(shù)轉(zhuǎn)發(fā)或設(shè)置I/O命令，啟動設(shè)備，或?qū)⒃O(shè)備掛在相應(yīng)的設(shè)備隊列中。及時響應(yīng)設(shè)備控制器發(fā)送的中斷請求，并根據(jù)中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進行處理。2020/7/31，29，2，設(shè)備驅(qū)動程序功能(1)驅(qū)動程序主要是指請求I/o的進程和設(shè)備控制器之間的通信和轉(zhuǎn)換程序。將抽象的I/O請求轉(zhuǎn)換為特定的I/O操作，然后將其轉(zhuǎn)發(fā)到控制器。(2)驅(qū)

12、動程序和設(shè)備控制器及I/O設(shè)備的硬件功能是緊密相關(guān)的，因此徐璐必須為其他類型的設(shè)備配置徐璐其他驅(qū)動程序。(3)驅(qū)動程序和I/O設(shè)備使用的I/O控制方法是緊密相關(guān)的，常用的I/O控制方法是中斷驅(qū)動器和DMA方法。(4)驅(qū)動程序和硬件緊密相關(guān)，其中一些要做匯編語言筆記，現(xiàn)在很多驅(qū)動程序都硬化到ROM了。(5)驅(qū)動程序許可再進貨許可。一個正在運行的驅(qū)動程序在一次調(diào)用完成之前經(jīng)常被重新調(diào)用。2020/7/31，30，3，設(shè)備處理方法為每個設(shè)備類型設(shè)置進程，用于對該設(shè)備類型執(zhí)行I/o操作。例如，為所有交互式終端設(shè)置交互式終端進程。設(shè)置系統(tǒng)范圍內(nèi)的I/O進程，以便對系統(tǒng)中的所有設(shè)備類型執(zhí)行I/O操作。在不

13、設(shè)置特殊設(shè)備處理進程的情況下，僅為用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用設(shè)置每個設(shè)備類型的相應(yīng)設(shè)備處理程序(模塊)。這種方式現(xiàn)在使用得最多。2020/7/31，31，4，將設(shè)備驅(qū)動程序處理過程、抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求，以確認I/o請求的合法性。例如，如果用戶想從一臺打印機請求讀取數(shù)據(jù)，則這是非法請求。讀取和確認設(shè)備狀態(tài)：每個設(shè)備寄存器都有狀態(tài)寄存器，每個都有相應(yīng)狀態(tài)的含義。所需的參數(shù)傳輸(磁盤在讀取和寫入之前參數(shù)傳輸?shù)皆O(shè)備控制器的寄存器)啟動I/O設(shè)備：I/O操作開始時，驅(qū)動程序本身被阻止，中斷到達將再次喚醒。實現(xiàn)處理器和I/O設(shè)備的并行操作。與設(shè)備驅(qū)動程序的主要任務(wù)是啟動指定的設(shè)備。具體的處理過程如下：20

14、20/7/31，32，5 . 4 . 2 I/O I/O控制方法，節(jié)目I/O方法(使用輪詢的可編程I/O方法)中斷驅(qū)動I/O方法DMA控制方法I/O通道控制方法，然后繼續(xù)循環(huán)瀏覽busy。如果Busy=1，并且I/o設(shè)備正在使用中，則CPU將執(zhí)行以下測試：Busy=0時，I/O操作結(jié)束，CPU發(fā)出以下命令：CPU的高速度和I/O設(shè)備的低速使CPU的大部分時間暴露在等待I/O設(shè)備的循環(huán)測試中，從而在CPU上產(chǎn)生巨大的浪費。2020/7/31，34，5.2.2，基于中斷的I/O方法，啟動基于中斷的I/O進程：CPU根據(jù)進程的I/O請求向設(shè)備控制器發(fā)出I/O命令。隨后，CPU將繼續(xù)執(zhí)行CPU與外圍設(shè)

15、備并行工作的其他進程。I/O設(shè)備完成操作后，控制器通過控制線向CPU發(fā)送中斷信號，驗證CPU上的I/O操作是否正確，系統(tǒng)效率：并行操作，以最少的時間處理中斷缺點：設(shè)備和CPU之間的數(shù)據(jù)交換仍保留在字節(jié)中。2020/7/31，35，5.2.3，直接存儲訪問DMA I/O控制方法，1，引入直接內(nèi)存訪問(DMA)控制方法，滿足了同時傳輸大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序要求。將CPU對高速外圍設(shè)備的干擾降至最低。牙齒方法的特點：數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)直接從設(shè)備傳輸?shù)絻?nèi)存，或者相反，僅當(dāng)傳輸一個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需要CPU干預(yù)。完全數(shù)據(jù)傳輸在控制器的控制下進行。2020/7/31，36，2，DMA控制器的配置命令/狀態(tài)寄存器CR記憶體位址寄存器MAR數(shù)據(jù)寄存器DR:或相反，數(shù)據(jù)柜臺DC:包含CPU要讀取或?qū)懭氲膯卧~(部分)數(shù)、2020/7/31，37，3，DMA操作過程啟動DMA控制器以傳輸數(shù)據(jù)。此后，CPU可以執(zhí)行其他任務(wù)。DMA控制器根據(jù)命令傳輸數(shù)據(jù)。也就是說，從磁盤中將一字節(jié)的數(shù)據(jù)讀取到DR中，然后傳輸?shù)絻?nèi)存中。修改并確認DC上的數(shù)值：如果DC上的值不是0牙齒，則繼續(xù)傳遞下一個字節(jié)。值為0時，發(fā)