1、第七章 设备管理第一节第一节 概述概述第二节第二节 数据传送控制方式数据传送控制方式第三节第三节 中止技术中止技术第四节第四节 缓冲技术缓冲技术第五节第五节 设备分配设备分配第六节第六节 I/O I/O进程控制进程控制第七节第七节 设备驱动程序设备驱动程序1计算机操作系统-设备管理第1页7.1 概述设备除cpu及内存以外全部设备和装置(I/O设备，存放设备等)。存放设备用来存放各种信息设备称为存放设备，比如，软盘、硬盘、光盘和磁带等I/O设备用来向计算机输入和输出信息设备，如键盘、鼠标、显示器、打印机等2计算机操作系统-设备管理第2页7.1.1 外部设备分类 按系统和用戶分：系统、用戶按输入输
2、出传送方式分(UNIX或Linux系统)：字符型设备、块设备按资源特点分：独享设备、共享设备、虚拟设备按设备硬件物理特征分：次序存取设备、直接存取设备3计算机操作系统-设备管理第3页按输入输出传送方式分字符型设备：以字符为单位进行输入、输出设备。每输入或输出一个字符就中止一次主机CPU，请求进行处理。所以又称慢速字符设备。块设备：以字符块为单位进行输入、输出设备。比如：硬盘。4计算机操作系统-设备管理第4页按资源特点分独享设备：全部字符设备都是独享设备。在一个用户作业未完成或退出之前，此设备不能分配给其它作业用。打印机不能同时打印多个用户作业，不然输出结果将会混在一起。共享设备：多个用户作业或
3、多个进程能够“同时”从这些设备上存取信息。软硬盘、光盘等块设备都是共享设备。虚拟设备：经过软件技术将独享设备改造成共享设备。比如：经过SPOOLing技术将一台打印机虚拟成多台打印机。5计算机操作系统-设备管理第5页按设备硬件物理特征分次序存取设备：存取时间与物理上当前位置相关。如：磁带直接存取设备：存取时间与物理上当前位置关系不大。如：磁盘6计算机操作系统-设备管理第6页7.1.2 设备管理任务选择和分配输入输出设备控制输入输出设备和CPU或内存之间数据交换。为用户提供一个友好接口，把用户和设备硬件特征分开，使用户编程时无须关心设备物理特征。尽可能提升输入输出设备利用率，发挥主机与外设以及外
4、设与外设之间真正并行工作能力。7计算机操作系统-设备管理第7页7.1.3 设备管理功效提供与进程管理系统接口，将进程要求传达给设备管理程序。按设备类型和算法分配设备，包含对应通道、设备控制器。对未分配到设备任务或作业进入等候队列。实现设备和设备、设备和CPU之间并行操作。这需要一些硬件设备支持。进行存放缓冲区管理。8计算机操作系统-设备管理第8页7.2 数据传送控制方式数据传送设备与CPU或内存数据交互传送方式程序直接控制中止控制DMA控制通道控制评价指标速度快、数据不丢失、系统开销小9计算机操作系统-设备管理第9页程序直接控制由用户进程直接控制内存与外部设备数据传输当用户进程需要数据时，它经
5、过CPU发送“设备开启命令”，用户进程进入测试等候状态;在等候时间内CPU不停用一条测试指令检验设备工作状态当数据准备好后，状态存放器状态置为完成状态，发出“Done”信号，开始向内存传送数据10计算机操作系统-设备管理第10页程序直接控制方式特点CPU和外部设备之间只能串行工作CPU在一段时间只能与一台外部设备交换信息，所以不能实现设备之间并行工作CPU处理速度远远高于外部设备，所以CPU利用率大大降低。因为这种方式是依靠测试设备状态存放器状态位来控制数据传输，所以，无法发觉和处理因为设备或其它硬件所产生错误。11计算机操作系统-设备管理第11页7.2.2 中止方式与程序直接方式不一样，它是
6、靠中止来实现设备与内存数据传输控制。处理过程：1.当进程要求数据时，由CPU发出START命令，开启外设准备数据。同时中止允许位打开。2.现运行进程放弃CPU，等候输入完成。进程调度程序选择一个新进程在CPU上运行。3.当数据从对应设备送到缓冲区后，由I/O控制器发中止请求，CPU接到请求后，中止现运行进程，转中止处理程序执行数据传输。4.在以后某个时刻，被中止进程因为取得了数据而继续运行。12计算机操作系统-设备管理第12页中止方式特点1.因为I/O控制器数据缓冲存放器比较小，装满数据后发生中止，所以一次数据传输中会造成屡次中止，消耗大量CPU时间。2.因为系统中设备较多，中止太多，会使CP
7、U无法响应中止，造成数据丢失。3.假如外部设备速度也比较高，CPU不能及时取走缓冲存放器数据，那么就会出现数据丢失。13计算机操作系统-设备管理第13页7.2.3 DMA方式当需要传输大量数据时，程序I/O方式和中止I/O方式都会浪费大量CPU时间，所以，需要一个更有效技术处理大量数据传输DMA(直接存放器存取)方式：当处理器希望读或写一块数据时，它给DMA模块产生一条指令，发送以下信息包括I/O设备地址开始读或写存放器单元需要读或写字数14计算机操作系统-设备管理第14页DMA方式n处理器然后继续其它工作，而把这个操作委托给DMA模块，由该模块处理。nDMA模块直接从存放器中或者往存放器中传
8、送整个数据块，每次传送一个字。n当传送完成后，DMA模块给处理器发一个中止信号。n所以，只有在开始传送和结束传送时才会用处处理器15计算机操作系统-设备管理第15页DMA方式nDMA方式特点：作为高速外围设备与内存之间进行成批数据交换，但不对数据作加工处理。数据传输基本单位是数据块，I/O操作类型比较简单需要使用一个专门DMA控制器（DMAC，Direct Memory Access Controller）。DMAC中有控制、状态存放器、传送字节计数器、内存地址存放器和数据缓冲存放器16计算机操作系统-设备管理第16页DMA方式n采取偷窃总线控制权方法，由DMAC送出内存地址和发出内存读、设备
9、写或设备读、内存写控制信号来完成内存与设备之间直接数据传送，而不用CPU干预。有DMA传送甚至不经过DMAC数据缓冲存放器再吞吐，传输速率非常高。n仅在传送一个或多个数据块开始和结束时，才需CPU干预，整块数据传送是在控制器控制下完成17计算机操作系统-设备管理第17页7.2.4 I/O通道方式n通道控制方式与DMA方式类似，也是一个以内存为中心，实现设备与内存直接交换数据控制方式。与DMA方式相比，DMA方式每次仅传输一个数据块数据，而通道却能够一次传输若干个数据块数据。18计算机操作系统-设备管理第18页I/O通道方式通道控制方式数据输入过程以下当进程要求输入数据时，CPU发出驱动指令指明
10、I/O操作、设备号和对应通道对应通道接收到CPU发来驱动指令后，把存放在内存中通道指令程序读出，并执行通道程序，控制设备将数据传送到内存指定区域若数据传送结束，则向CPU发出中止请求。CPU收到中止信号后转中止处理程序，唤醒等候输入完成进程，并返回被中止程序19计算机操作系统-设备管理第19页20计算机操作系统-设备管理第20页通道指令通道指令普通包含：内存地址（数据）、传送方向、数据长度、I/O设备地址信息、特征信息。通道指令在进程要求数据时由系统自动生成。Wirte 0 0 250 1850（写/通道指令未结束/统计未结束/250个单元/内存地址1850）Write 1 1 250 780
11、（写/通道指令结束/统计结束/250个单元/内存地址780）21计算机操作系统-设备管理第21页通道方式特点设备与内存直接交换数据。数据传送方向、内存地址、长度等是由通道来控制。DMA中这些是由CPU控制。一个通道能够控制多台设备与内存进行数据交换。DMA方式每台设备最少一个DMA控制器。一个通道能够以分时方式同时执行几个通道指令。22计算机操作系统-设备管理第22页7.3 中止技术7.3.1 中止基本思想7.3.2 中止分类与优先级7.3.3 软中止7.3.4 中止处理过程23计算机操作系统-设备管理第23页7.3.1 中止基本思想定义：中止是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常或预期急
12、需处理事件，使得CPU暂时中止当前进程而转去执行对应事件处理程序，待处理完成后又返回原来被中止处继续执行或调度新进程执行过程。中止源：引发发生中止事件叫做中止源。中止请求：中止源向CPU发送中止信号叫做中止请求。中止响应：CPU收到中止请求后转对应事件处理程序称为中止响应。24计算机操作系统-设备管理第24页中止基本思想禁止中止（关中止）：因为处理机状态字PSW中止允许位可能被去除，造成CPU不响应中止，直到PSW中止许可位被重新设置，即开中止。开中止和关中止都是为保障程序执行原子性。中止请求、关中止、开中止都是由硬件实现。中止屏蔽：中止请求产生之后，系统用软件方式有选择地封锁部分中止，而允许
13、其它中止依然能够得到响应。有些中止是不可屏蔽，它们含有最高中止响应级别。25计算机操作系统-设备管理第25页7.3.2 中止分类与优先级依据中止源产生条件，可把中止分为内部中止和外部中止：内部中止：来自处理机和内存中止。内中止也叫做陷阱（trap）。包含程序运算引发各种错误，比如：数据格式错、非法指令等。外部中止：除了内部中止之外，其它来自外部中止都是外中止。比如：I/O设备发出I/O中止、外部信号中止等。中止和陷入按轻重缓急分为不一样优先级。CPUPSW中也设有优先级。假如中止源优先级高于PSW则处理机响应该中止；反之，屏蔽请求。中止源优先级是固定，处理机优先级则依据执行情况由系统程序动态设
14、定。26计算机操作系统-设备管理第26页中止和陷入区分陷阱通常由处理机正在执行指令引发，而中止是由与现行指令无关中止引发。陷入处理程序提供服务是为当前进程，而中止处理程序提供服务则不是为当前进程。CPU在执行完一条指令后，下一条指令开始之前响应中止，而中止执行过程中又能够响应陷阱。有系统将中止处理程序在系统上下文上运行，而陷入在用户上下文上运行。27计算机操作系统-设备管理第27页7.3.3 软中止定义：通讯进程之间相互发送信号来模拟硬件中止。一个进程A向进程B发送一个软中止信号后，当进程B占用处理机时，马上转去执行该软中止信号所对应程序。有些系统中，将陷入划归到软中止处理。如当前执行指令产生
15、陷阱，则向当前执行进程本身发出软中止信号，马上进入陷阱处理程序。28计算机操作系统-设备管理第28页7.3.4 中止处理过程1.CPU检验是否有响应中止条件：中止请求、CPU允许中止。条件不满足则中止处理程序不处理。2.假如CPU响应中止，则先关中止，以确保在中止处理过程中不被中止。3.保留中止现场。4.分析中止原因，调用中止处理子程序。假如同时有多个中止，则响应级别最高中止。29计算机操作系统-设备管理第29页中止向量不一样中止源有不一样中止处理子程序。这些子程序入口地址和不一样处理机状态字一起组成中止向量。存放在内存特定单元中。依据中止源系统查询中止向量表，然后转去对应处理子程序。30计算
16、机操作系统-设备管理第30页7.4 缓冲技术缓冲引入缓冲种类缓冲池管理31计算机操作系统-设备管理第31页7.4.1 缓冲引入处理机处理速度很高，为了使处理机速度和外部设备速度匹配，普通在处理机和外部设备之间加一个或多个缓冲区，到达设备之间和设备与处理机之间并行处理目标。为了降低中止次数。比如：当计算进程把大量数据输出到打印机上，因为CPU输出速度大大高于打印机速度，所以，CPU只好停下来等候。而CPU计算时，打印机却空闲。两种缓冲方案：用硬件缓冲存放器；内存缓冲区32计算机操作系统-设备管理第32页7.4.2 缓冲种类单缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲器。单缓冲不能实现设备之间并行操作。
17、双缓冲：两个缓冲器，以处理两个设备之间并行。但多个设备情况下依然不可行。多缓冲：多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入缓冲，另一部分专门用于输出缓冲。缓冲池：将多个缓冲区连接起来统一管理，既可用于输入，又可用于输出。33计算机操作系统-设备管理第33页7.4.3 缓冲池管理缓冲池由多个缓冲区组成。每个缓冲区由两部分组成：一是缓冲区首部，包含设备号、数据块号、缓冲区号、互斥标识位、连接指针；另一部分是存放数据为缓冲体。系统将各个缓冲区按照用途分为三种队列：空闲队列、装满输入数据队列、装满输出数据队列。除了这三种队列外，系统还提供四个工作缓冲区，用于进行缓冲区相关操作：hin:收容设备输入数据缓冲区sin提取设备输入数据缓冲区hout：收容CPU输出缓冲区sout：提取CPU输出数据缓冲区 34计算机操作系统-设备管理第34页缓冲池结构缓冲区头存放数据缓冲区bufferbuf缓冲区头存放数据缓冲区bufferbuf缓冲区头存放数据缓冲区bufferbuf35计算机操作系统-设备管理第35页缓冲队列空闲缓冲区L(em)F(em)空闲缓冲区输入缓冲区L(in)F(in)输入缓冲区输出缓冲区L(out)F(out)输出缓冲区36计算机操作系统-设备管理第36页作业课后习题 9.1,9.3,9.4,9.8,37计算机操作系统-设备管理第37页
