第五章設(shè)備管理.ppt

1、管理信息系統(tǒng)軟件，第5章設(shè)備管理，信息管理和信息系統(tǒng)專業(yè)核心課程，第1章，第2章，第5章設(shè)備管理，5.1概述5.2輸入/輸出軟件組成5.3輸入/輸出硬件特性5.4輸入/輸出控制技術(shù)5.5設(shè)備相關(guān)技術(shù)5.6設(shè)備分配和處理5.7磁盤存儲(chǔ)管理5.8典型外部設(shè)備，第5章設(shè)備管理，總結(jié)了計(jì)算機(jī)的基本物理組成。1.輸入輸出性能往往成為系統(tǒng)性能的瓶頸。(1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能響應(yīng)時(shí)間，這也是一個(gè)重要因素。(2)中央處理器性能越高，中央處理器和輸入輸出之間的差距越大：進(jìn)程越多。(3)過程切換、高系統(tǒng)開銷和5.1.1輸入/輸出特性2。龐大而復(fù)雜的操作系統(tǒng)的原因之一是有許多資源，混雜且并發(fā)，所有這些資源都來

2、自各種各樣的輸入/輸出外圍設(shè)備、不同的結(jié)構(gòu)、不同類型的輸入和輸出數(shù)據(jù)信號(hào)以及速度上的巨大差異。3.理解輸入輸出的工作過程和結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)工作過程和結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。4.與其他功能密切相關(guān)，尤其是文件系統(tǒng)。存儲(chǔ)型設(shè)備、輸入型設(shè)備(外圍主機(jī))、輸出型設(shè)備(主機(jī)外圍設(shè)備)、輸入輸出型設(shè)備(交互設(shè)備)根據(jù)使用特點(diǎn)2。按數(shù)據(jù)組織的塊型設(shè)備：以數(shù)據(jù)塊為單位存儲(chǔ)和傳輸信息的設(shè)備：以字符為單位存儲(chǔ)和傳輸信息的設(shè)備，5.1.2設(shè)備分類，系統(tǒng)設(shè)備是指生成操作系統(tǒng)時(shí)在系統(tǒng)中注冊(cè)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備(如終端)。這種設(shè)備的處理程序由用戶提供，它被并入系統(tǒng)中并由系統(tǒng)而不是用戶來管理。(例如模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中使用的特殊

3、設(shè)備)，3。根據(jù)外部設(shè)備的隸屬關(guān)系，1)獨(dú)占設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只能被一個(gè)進(jìn)程使用，一般是低速輸入輸出設(shè)備。(如打印機(jī)、磁帶等。)關(guān)鍵資源(互斥訪問)會(huì)導(dǎo)致死鎖。2)共享設(shè)備可以有多個(gè)進(jìn)程在一段時(shí)間內(nèi)共同使用的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程交叉使用設(shè)備，資源利用率高。(例如，硬盤)從宏觀上看，多個(gè)進(jìn)程可以同時(shí)訪問，可以尋址和隨機(jī)訪問。3)虛擬設(shè)備。4)根據(jù)設(shè)備的共享屬性，在另一種設(shè)備上模擬一種類型的設(shè)備。共享設(shè)備通常用于模擬專用設(shè)備，而高速設(shè)備用于模擬低速設(shè)備。模擬設(shè)備被稱為虛擬設(shè)備。目的：將慢速專用設(shè)備改造成多用戶共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率。例如：假脫機(jī)技術(shù)，利用虛擬設(shè)備技術(shù)用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備，3)虛擬設(shè)

4、備，是為解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少、速度慢、不能滿足多種工藝要求、設(shè)備壟斷過程中設(shè)備利用率相對(duì)較低的問題而提出的一種設(shè)備管理技術(shù)；外部設(shè)備在線并行操作(假脫機(jī)技術(shù))。假脫機(jī)技術(shù)、高速設(shè)備：傳輸速率從幾十萬字節(jié)到幾兆字節(jié)的中速設(shè)備(磁盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器):傳輸速率從幾千字節(jié)到幾萬字節(jié)的低速設(shè)備(行式打印機(jī)、激光打印機(jī))；傳輸速率范圍從幾個(gè)字節(jié)到數(shù)百個(gè)字節(jié)(鍵盤、鼠標(biāo)、語音輸入和輸出)。5.5.1.3按數(shù)據(jù)傳輸速率劃分，設(shè)計(jì)目標(biāo)和任務(wù)以提高便利性并實(shí)現(xiàn)并行性和平衡。1.設(shè)計(jì)目標(biāo)，(1)設(shè)備分配和回收記錄設(shè)備的狀態(tài)。根據(jù)用戶的要求和設(shè)備類型，采用一定的分配算法。選擇數(shù)據(jù)路徑(2)建立獨(dú)立于設(shè)備的統(tǒng)一接口(

5、3)完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)真正的輸入輸出操作(4)處理外部設(shè)備的中斷(5)管理輸入輸出緩沖區(qū)(2)管理設(shè)備(1)根據(jù)用戶要求控制設(shè)備的各種操作，完成輸入輸出設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換，最終完成用戶設(shè)備驅(qū)動(dòng)的輸入輸出；設(shè)備中斷處理；緩沖管理器，3。設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)，2)為用戶提供使用外部設(shè)備的便捷接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負(fù)擔(dān)，友好的接口，透明的邏輯設(shè)備和物理設(shè)備，屏蔽硬件細(xì)節(jié)(設(shè)備的物理細(xì)節(jié)、錯(cuò)誤處理、不同輸入輸出的差異)，3)充分利用各種技術(shù)(通道、中斷、緩沖等)。)提高CPU和設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率(并行性和平衡性)，以及設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)(續(xù))；4)確保在多

6、程序環(huán)境下，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備的使用時(shí)，按照一定的策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能夠有序地工作。5)保護(hù)設(shè)備傳輸或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)安全、無損、保密。設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù)(續(xù))，第5章，設(shè)備管理，5.2輸入輸出硬件特性，設(shè)備組成輸入輸出設(shè)備一般由機(jī)械和電子部分組成，它們被分開處理以提供更模塊化和通用的設(shè)計(jì)。物理設(shè)備的機(jī)械部分是設(shè)備本身(物理設(shè)備)。設(shè)備控制器電子部分稱為設(shè)備控制器或適配器。在小型和微型計(jì)算機(jī)中，印刷電路卡經(jīng)常被用來將它們插入計(jì)算機(jī)。完成設(shè)備與主機(jī)之間的連接和通信。1.輸入/輸出硬件功能。控制卡上有一個(gè)插座，通過電纜與設(shè)備相連。控制器和設(shè)備之間的接口是標(biāo)準(zhǔn)接口，符合國際標(biāo)準(zhǔn)，如美國國家

7、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)、美國電氣和電子工程師協(xié)會(huì)或國際標(biāo)準(zhǔn)化組織。(1)操作的異步，(2)設(shè)備的自主性，(3)接口的普遍關(guān)注：如何對(duì)硬件編程，而不管它在設(shè)備內(nèi)部如何工作。程序員：軟件接口是硬件接收的命令，它完成的功能，報(bào)告的錯(cuò)誤，1。輸入輸出設(shè)備特性(續(xù))，輸入輸出過程包括四個(gè)步驟：準(zhǔn)備開始測(cè)試，等待結(jié)果檢查和錯(cuò)誤處理。通過讀取和寫入設(shè)備接口的寄存器組，設(shè)備接口是復(fù)雜和乏味的。2.設(shè)備接口，操作系統(tǒng)將命令寫入控制器寄存器，實(shí)現(xiàn)輸入輸出。當(dāng)控制器收到命令時(shí)，它可以獨(dú)立于中央處理器完成指定的操作，而中央處理器可以轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他操作。當(dāng)命令完成時(shí)，控制器產(chǎn)生一個(gè)中斷，中央處理器對(duì)該中斷作出響應(yīng)，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)移給操作

8、系統(tǒng)。通過讀取控制器寄存器中的信息，中央處理器獲得操作結(jié)果和設(shè)備狀態(tài)?？刂破骱驮O(shè)備之間的接口通常是低級(jí)接口。例如，磁盤可以格式化為每個(gè)磁道8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512字節(jié)。然而，驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H輸出的是一系列比特流，首先是前同步碼，然后是一個(gè)扇區(qū)的4096位(5128)，最后是校驗(yàn)和或錯(cuò)誤校驗(yàn)碼。格式化磁盤時(shí)會(huì)寫入標(biāo)題，包括柱面和扇區(qū)的數(shù)量、扇區(qū)的大小和類似數(shù)據(jù)?？刂破鞯娜蝿?wù)是將串行比特流轉(zhuǎn)換成字節(jié)塊，并進(jìn)行必要的糾錯(cuò)。首先，控制器按位組裝，然后存儲(chǔ)在控制器內(nèi)部的緩沖器中，以字節(jié)為單位形成一個(gè)塊。當(dāng)數(shù)據(jù)塊被驗(yàn)證無誤后，它被復(fù)制到主存。指的是輸入/輸出設(shè)備和中央處理器之間的連接，也就是將設(shè)備連接到計(jì)算機(jī)

9、系統(tǒng)的方式。在某種連接模式下，從輸入輸出設(shè)備到中央處理器的所有連接組件構(gòu)成一個(gè)輸入輸出路徑(輸入輸出鏈)。3。設(shè)備連接方式，四個(gè)要素：設(shè)備接口形式的輸入輸出地址空間分配、輸入輸出指令和解碼連接。設(shè)備和主機(jī)之間最基本的連接方式是端口地址解碼，它根據(jù)主機(jī)和設(shè)備之間約定的格式和過程接受或發(fā)送數(shù)據(jù)和信號(hào)。計(jì)算機(jī)設(shè)備計(jì)算機(jī)將計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被機(jī)械部件識(shí)別的模擬信號(hào)?；蛘呦喾矗梢栽谠O(shè)備中實(shí)現(xiàn)一些任務(wù)，例如硬件緩沖存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，以提高性能或增強(qiáng)功能。1)設(shè)備的接口形式。在接口電路中，多個(gè)寄存器有一個(gè)唯一的地址，每個(gè)地址是一個(gè)輸入輸出端口，稱為輸入輸出端口地址。輸入輸出指令形式和輸入輸出地址是相互

10、關(guān)聯(lián)的，主要有兩種形式：內(nèi)存映射尋址(內(nèi)存映射輸入輸出模式)、輸入輸出獨(dú)立尋址(輸入輸出特殊指令)、2)端口尋址方式、3)輸入輸出獨(dú)立尋址，分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間是完全獨(dú)立的。它與內(nèi)存的地址空間無關(guān)。主機(jī)使用特殊的輸入/輸出指令來操作端口。優(yōu)點(diǎn)外部設(shè)備不占用內(nèi)存的地址空間。編程時(shí)，很容易區(qū)分它是在內(nèi)存上還是在輸入輸出端口上運(yùn)行。缺點(diǎn)：在輸入/輸出端口上操作的指令類型很少，并且操作不靈活。例如：8086/8088，分配給輸入/輸出端口的地址空間是64K，0000H0FFFFH，只有輸入和輸出指令可用于讀寫；4)內(nèi)存鏡像被尋址，分配給系統(tǒng)中所有端口的地址空間和內(nèi)存的地址空間由主機(jī)統(tǒng)一尋址，

11、輸入輸出端口作為存儲(chǔ)單元。讀寫輸入輸出的優(yōu)點(diǎn)和操作內(nèi)存一樣。任何可以操作內(nèi)存的指令都可以操作輸入輸出端口，而不需要特殊的輸入輸出指令。輸入輸出端口會(huì)占用很大的地址空間。缺點(diǎn)：占用內(nèi)存空間，第5章設(shè)備管理，5.4輸入輸出控制技術(shù)，4種輸入輸出控制技術(shù)，程序控制中斷驅(qū)動(dòng)直接內(nèi)存訪問通道，1。程序控制一、輸入時(shí)：進(jìn)程通過中央處理器發(fā)出啟動(dòng)命令，啟動(dòng)外圍設(shè)備；進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試；做好準(zhǔn)備，中央處理器讀取接口中的數(shù)據(jù)，否則，繼續(xù)測(cè)試。輸出：進(jìn)程通過中央處理器發(fā)送啟動(dòng)命令，啟動(dòng)外圍設(shè)備；進(jìn)行狀態(tài)測(cè)試；做好準(zhǔn)備，中央處理器輸出數(shù)據(jù)到接口，否則，繼續(xù)測(cè)試。2.中斷驅(qū)動(dòng)的輸入輸出技術(shù)，為了解決程序控制輸入輸出方法的主

12、要問題，處理器應(yīng)該擺脫輪詢?nèi)蝿?wù)，輸入輸出操作和指令執(zhí)行應(yīng)該并行。具體方法：當(dāng)輸入輸出處理單元準(zhǔn)備好與設(shè)備交互時(shí)，通過物理信號(hào)通知處理器，即中斷處理器。3.在直接存儲(chǔ)器存取技術(shù)中，中斷的引入大大提高了處理器處理輸入輸出的效率。當(dāng)數(shù)據(jù)在處理器和輸入輸出之間傳輸時(shí)，效率仍然不高。解決方案：直接存儲(chǔ)器存取(DMA)通過系統(tǒng)總線中獨(dú)立的控制單元DMA控制器自動(dòng)控制內(nèi)存和輸入輸出單元之間的塊數(shù)據(jù)傳輸，大大提高了處理輸入輸出的效率。DMA技術(shù)(續(xù)1)當(dāng)處理器需要讀寫整個(gè)數(shù)據(jù)塊時(shí)，它會(huì)向DMA控制單元發(fā)送一個(gè)命令，包括是請(qǐng)求讀還是寫、輸入輸出設(shè)備的尋址、主存儲(chǔ)器開始讀寫的尋址、要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)長(zhǎng)度等。處理器發(fā)出命

13、令后，可以處理其他事情。當(dāng)這個(gè)過程完成時(shí)，直接存儲(chǔ)器存取控制器將自動(dòng)管理數(shù)據(jù)傳輸。它將向處理器發(fā)送一個(gè)中斷，處理器只能在傳輸?shù)拈_始和結(jié)束時(shí)關(guān)注它。處理器和直接存儲(chǔ)器存取傳輸不是完全并行的。有時(shí)會(huì)有公共汽車比賽。當(dāng)處理器使用總線時(shí)，它可能會(huì)等待一會(huì)兒而不會(huì)導(dǎo)致中斷，這不會(huì)導(dǎo)致程序上下文的保存。通常，在這個(gè)過程中只有一個(gè)總線周期。當(dāng)直接存儲(chǔ)器存取傳輸時(shí)，處理器緩慢地訪問總線。對(duì)于大量的數(shù)據(jù)輸入輸出傳輸，直接存儲(chǔ)器存取技術(shù)非常有價(jià)值，直接存儲(chǔ)器存取技術(shù)(續(xù)2)，程序輸入輸出，中斷輸入輸出，直接存儲(chǔ)器存取，4。獨(dú)立于中央處理器的通道，一種專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出傳輸?shù)奶幚砥?。它以統(tǒng)一的方式管理外圍設(shè)備，而

14、不是中央處理器來控制輸入/輸出操作，因此中央處理器和外圍設(shè)備可以并行工作。輸入輸出處理器的目的也是引入通道。為了將中央處理器從輸入/輸出事務(wù)中解放出來，提高中央處理器與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行性，第五章設(shè)備管理，5.5設(shè)備相關(guān)技術(shù)，為了解決獨(dú)立設(shè)備數(shù)量少、速度慢，不能滿足許多進(jìn)程的要求，以及設(shè)備在進(jìn)程壟斷過程中設(shè)備利用率相對(duì)較低的問題，提出了一種設(shè)備管理技術(shù)。外部設(shè)備在線并行操作(假脫機(jī)技術(shù))，5.5.1假脫機(jī)技術(shù)，1。帶假脫機(jī)的系統(tǒng)示意圖，2。假脫機(jī)的工作原理：在操作系統(tǒng)初始啟動(dòng)后，假脫機(jī)輸入程序被激活以捕獲輸入請(qǐng)求。一旦有輸入請(qǐng)求消息，就立即執(zhí)行假脫機(jī)輸入程序，并將安裝在輸入設(shè)備上的作業(yè)

15、輸入到硬盤的輸入孔中。輸入井是一組硬盤扇區(qū)。假脫機(jī)輸出將硬盤上輸出井的數(shù)據(jù)發(fā)送到慢速輸出設(shè)備。輸出井的數(shù)據(jù)來自作業(yè)期間的輸出。假脫機(jī)的本質(zhì)是作業(yè)調(diào)度器不從輸入設(shè)備加載作業(yè)，而是直接將選定的作業(yè)從輸入井加載到主內(nèi)存中，這大大縮短了主機(jī)等待作業(yè)輸入的時(shí)間。同樣，對(duì)于作業(yè)的輸出，寫入輸出井比寫入輸出設(shè)備快得多。假脫機(jī)技術(shù)必須基于具有多種程序功能的操作系統(tǒng)，并且必須得到高速隨機(jī)外部存儲(chǔ)器的支持。通常采用磁盤存儲(chǔ)技術(shù)。4。假脫機(jī)系統(tǒng)的組成，1。輸入井和輸出井：盤區(qū)；輸入井模擬離線輸入設(shè)備，臨時(shí)存儲(chǔ)輸入輸出設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)；輸出很好地模擬了離線輸出時(shí)的磁盤，并臨時(shí)存儲(chǔ)了用戶程序的輸出數(shù)據(jù)。2.輸入緩沖區(qū)和輸

16、出緩沖區(qū)：解決中央處理器和磁盤速度的不匹配；內(nèi)存中的區(qū)域；輸入緩沖器暫時(shí)存儲(chǔ)輸入設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后將其發(fā)送到輸入井；輸出緩沖器用于存儲(chǔ)輸出井發(fā)送的數(shù)據(jù)。3.輸入過程和輸出過程：模擬輸入輸出時(shí)的外圍控制機(jī)；5.假脫機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)；1.提高輸入/輸出速度：輸入和輸出井的操作數(shù)據(jù)。2.將專用設(shè)備轉(zhuǎn)換為共享設(shè)備：不直接分配設(shè)備，而是根據(jù)需要在輸入井或輸出井中分配存儲(chǔ)區(qū)域和建立輸入輸出請(qǐng)求表。3.實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備功能：將專用設(shè)備轉(zhuǎn)換成多個(gè)對(duì)應(yīng)的邏輯設(shè)備。，討論和實(shí)踐，5.5.2。中斷技術(shù)1。中斷概念：中央處理器對(duì)系統(tǒng)中的事件做出響應(yīng)。中央處理器暫停正在執(zhí)行的程序，場(chǎng)景預(yù)留后自動(dòng)轉(zhuǎn)入執(zhí)行相應(yīng)事件的處理程序，處

17、理完成后返回?cái)帱c(diǎn)，繼續(xù)執(zhí)行中斷的程序。特點(diǎn)：1)中斷是隨機(jī)的；2)中斷是可恢復(fù)的；3)中斷被自動(dòng)處理。從用戶的角度出發(fā)，解決主機(jī)與外設(shè)的并行操作問題，提高可靠性，實(shí)現(xiàn)多機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。介紹中斷的目的。中斷類型，通過強(qiáng)制中斷正在運(yùn)行的程序來實(shí)現(xiàn)意外中斷，并且由于某些硬件故障或外部請(qǐng)求而主動(dòng)中斷用戶在程序中安排的中斷，因?yàn)橛脩粼诰幾g程序時(shí)有意使用“訪問管道”指令或系統(tǒng)調(diào)用，因?yàn)樗枰僮飨到y(tǒng)提供服務(wù)。使中斷發(fā)生，1)強(qiáng)制中斷，輸入/輸出(I/O)中斷：主要來自外部設(shè)備通道的程序中斷：在運(yùn)行程序中中斷自身(如溢出，缺頁中斷，段丟失中斷，地址越界)，時(shí)鐘中斷，控制臺(tái)中斷硬件故障，2)自愿中斷，通過執(zhí)行I/O創(chuàng)建過程來分配內(nèi)存信號(hào)量來發(fā)送/接收消息，4)微計(jì)算機(jī)1中的中斷。屏蔽中斷(輸入輸出中斷)2。未屏蔽中斷(機(jī)器內(nèi)部故障、電源故障中斷)3。程序錯(cuò)誤中斷(溢出、除法錯(cuò)誤等。)4 .軟件中斷(陷阱指令或中斷指令內(nèi)部)。在某些計(jì)算機(jī)中，為了區(qū)分和不丟失中斷信號(hào)，每個(gè)中斷源使用一個(gè)固定的觸發(fā)器，將中斷信號(hào)的指定值注冊(cè)為1，表示存在中斷信號(hào)。當(dāng)0表示這些觸發(fā)器都不被稱為中斷寄