搜索
第4章设备管理4.1设备管理概述4.2输入输出系统4.3设备分配与回收4.4设备处理4.5设备管理采用的技术本章结束！4.1设备管理概述4.1.1设备管理的主要任务设备是指计算机系统中的外部设备，它包括外存、输入设备和输出设备（I/O设备）。外存的管理和使用，请参考文件管理一章。设备管理的主要任务是完成用户提出的输入输出请求，为用户分配输入输出设备，提高CPU与输入输出设备的利用率，提高输入输出设备的速度，方便用户使用输入输出设备。第4章设备管理4.1设备管理概述4.1.2设备管理的主要功能1.缓冲管理它是管理好各种类型的缓冲区，协调各类设备的工作速度，提高系统的使用效率。它通过单缓冲区、双缓冲区或缓冲池等机制来实现。2.设备分配与回收它是根据用户提出的输入输出请求，为其分配所需要的设备，用户使用完后，回收分配的设备。它通过设备控制表、控制器控制表、通道控制表和系统设备表记录设备的使用情况，实现设备的分配与回收。第4章设备管理4.1设备管理概述4.1.2设备管理的主要功能3.设备处理它是实现CPU和设备控制器之间的通信。它通过相应的设备处理程序来实现。4.虚拟设备它是把每次只允许一个进程使用的物理设备，改造为能同时供多个进程共享的设备。第4章设备管理4.1设备管理概述4.1.3设备的分类1．按设备的从属关系分类(1)系统设备。系统设备是指操作系统生成时已经登记在操作系统中的标准设备，如键盘、显示器、打印机等。(2)用户设备。用户设备是指操作系统生成时未登记在操作系统中的非标准设备，如绘图仪、扫描仪等。2．按操作特性分类(1)存储设备。存储设备是指用来存放信息的设备，如磁盘、磁带等。(2)输入输出设备。输入输出设备是指向CPU传输信息和输出加工处理信息的设备，如键盘、显示器、打印机等。第4章设备管理4.1设备管理概述4.1.3设备的分类3．按设备共享属性分类(1)独享设备。独享设备是指在一段时间内只允许一个进程访问的设备。系统一旦把这种设备分配给一个进程后，便由该进程独占，直到用完释放，其他进程才能使用。多数低速设备都属于此类设备，如打印机。(2)共享设备。共享设备是指在一段时间内允许多个进程访问的设备，如磁盘。(3)虚拟设备。虚拟设备是指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个进程同时使用的设备，如虚拟打印机。第4章设备管理4.1设备管理概述4.1.3设备的分类4．按信息交换单位分类(1)块设备。块设备是指处理信息的基本单位是字符块。一般块的大小为512B～4KB，如磁盘、磁带等。(2)字符设备。字符设备是指处理信息的基本单位是字符，如键盘、显示器、打印机等。第4章设备管理返回4.2输入输出系统4.2.1输入输出系统的结构对于不同规模的计算机系统，其输入输出系统的结构也有差异。通常把输入输出系统的结构分成两大类：微机输入输出系统和主机输入输出系统。1．微机输入输出系统微机输入输出系统一般采用总线输入输出系统结构，如图4-1所示。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.1输入输出系统的结构1．微机输入输出系统CPU和主存是直接连接到总线上的。输入输出设备是通过设备控制器连接到总线上。CPU并不直接与输入输出设备进行通信，而是与设备控制器进行通信，并通过它去控制相应的设备。因此，设备控制器是处理器和设备之间的接口。应根据设备的类型，给设备配置与之相应的控制器，如磁盘控制器、打印机控制器等。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.1输入输出系统的结构2．主机输入输出系统当主机所配置的输入输出设备较多时，特别是配有较多的高速外设时，采用总线型输入输出系统结构会加重CPU与总线的负担。因此，在这样的输入输出系统中不宜采用单总线结构，而是增加一级输入输出通道，用来代替CPU与各设备控制器进行通信，实现对控制器的控制。具有通道的输入输出系统结构如图4-2所示。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.2设备控制器1．设备控制器的概念设备控制器是CPU与外围设备之间的接口，是一个可编址设备，每一个地址对应一个设备。它接收从CPU发来的命令，并去控制输入输出设备的工作，使CPU从繁杂的设备控制事务中解脱出来，提高CPU的使用效率。设备控制器一般分成两大类：一类是用于控制字符设备的控制器；另一类是用于控制块设备的控制器。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.2设备控制器2．设备控制器的功能。设备控制器实现设备与CPU的通信，一般功能：（1）接收和识别命令。接收和识别由CPU发送来的各种命令，并对这些命令进行译码。为此，在控制器中应设置相应的控制寄存器，用来存放接收的命令和参数，并对所接收的命令进行译码。（2）交换数据。实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换。对于前者，是通过数据总线，由CPU并行地把数据写入控制器，或从控制器中并行地读出数据；对于后者是设备将数据输入到控制器，或从控制器传送给设备。为此，在控制器中需要设置数据寄存器。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.2设备控制器2．设备控制器的功能。（3）了解和报告设备状态。在控制器中应设立一个状态寄存器用于记录设备的各种状态，以供CPU使用。例如，仅当该设备处于发送就绪状态时，CPU才能启动控制器从设备中读出数据。为此，在控制器中应设置一个状态寄存器，用其中的每一位来反映设备的某一种状态。当CPU将该寄存器的内容读入后，便可以了解该设备的状态。（4）识别地址。系统为每个设备配置一个地址，设备控制器要能识别这些地址。此外，为使CPU能向寄存器中写入数据，或从寄存器中读取数据，这些寄存器应具有惟一的地址。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.2设备控制器3．设备控制器的组成由于设备控制器处于CPU与设备之间，它既要与CPU通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU发来的命令去控制设备工作的功能。因此，现有的大多数控制器都是由以下三部分组成的，如图4-3所示。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.2设备控制器3．设备控制器的组成（1）CPU与设备控制器的接口。该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线：数据线、地址线和控制线。（2）设备控制器与设备的接口。控制器中的输入输出逻辑根据处理器发送来的地址信号，去选择一个设备接口。一个设备接口连接一台设备。（3）输入输出逻辑。输入输出逻辑用于实现对输入输出设备的控制。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.3输入输出通道1．输入输出通道的概念输入输出通道是指专门负责输入输出工作的处理器。它有自己的指令系统（包含数据传送指令和设备控制指令），能按照指定的要求独立地完成输入输出操作。中央处理器可以做相应的计算操作，从而使系统获得CPU与外设的并行处理能力。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.3输入输出通道2．输入输出通道的分类输入输出通道是用于控制外围设备的。根据信息交换方式的不同，把通道分成三种类型：(1)字节多路通道。通常都含有许多非分配型子通道，其数量可以从几十到数百个，每一个子通道连接一台输入输出设备，这些子通道按时间片轮转方式共享主通道。如图4-4所示。字节多路通道连接低速或中速设备时，不会丢失信息。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.3输入输出通道2．输入输出通道的分类(2)数据选择通道。可以连接多台高速设备，但是，由于它只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一个通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占，（即使无数据传送，通道被闲置也不允许其他设备利用）直至该设备传送完毕后释放该通道。数据选择通道虽然有很高的传输速率，但是，它每次只允许一个设备传输数据。所以，这种通道利用率很低。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.3输入输出通道2．输入输出通道的分类(3)数组多路通道。将数据选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道（设备）分时并行操作的优点相结合，而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，因而这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。该通道被广泛地用于连接多台高、中速的外围设备，其数据传送是按数组方式进行的。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.4输入输出系统的控制方式1．程序直接控制方式程序直接控制方式也称为“忙—等待”方式，即在一个设备的操作没有完成时，控制程序一直检测设备的状态，直到该操作完成，才能进行下一个操作。步骤为：(1)当用户需要输入数据时，由处理器向设备控制器发出一条输入输出指令，启动设备进行输入。(2)当用户进程需要向设备输出数据时，也必须同样发出启动命令启动设备输出，并等待输出操作完成。特点：工作过程简单，CPU的利用率低。程序直接控制方式适用于早期的无中断的计算机系统。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.4输入输出系统的控制方式2．中断控制方式中断控制是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中止当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中止处继续执行或调度新的进程执行的过程。特点：中断控制方式比程序直接控制方式提高了CPU的利用率。每输入输出一个数据都会发生中断，传输一组数据需要多次中断，浪费了CPU的处理时间。中断控制方式应用于现代计算机系统中。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.4输入输出系统的控制方式3．直接存储器存取控制方式（DMA）直接存储器存取方式是指对输入输出设备的控制由DMA控制器完成，在DMA控制器的作用下，设备和主存之间可以成批地进行数据交换，而不用CPU的干涉。特点：数据的传送方向、存放数据的主存始址及传送数据的长度等都由CPU控制，具体的数据传送由DMA控制器负责，每台设备需要配一个DMA控制器，这样输入输出数据传输速度快，CPU负担少。直接存储器存取控制方式适用于块设备的数据传输。第4章设备管理4.2输入输出系统4.2.4输入输出系统的控制方式4．通道控制方式通道控制方式是一种以主存为中心，是设备与主存直接交换数据的控制方式。CPU只需要发出启动指令，指出通道相应的操作和输入输出设备，该指令就可以启动通道并使该通道从主存中调出相应的通道指令执行，完成一组数据块的输入/输出。特点：通道所需要的CPU干预更少，并可以实现CPU、通道和输入输出设备三者之间的并行操作，从而更有效地提高整个系统资源的利用率。通道控制方式适用于现代计算机系统中的大量数据交换。第4章设备管理返回4.3设备分配与回收4.3.1设备分配中的数据结构为了实现对设备的管理和控制，需要对每台设备、通道、控制器的情况进行登记。设备分配主要采用的数据结构有设备控制表、控制器控制表、通道控制表和系统设备表。如图4-5所示。第4章设备管理4.3设备分配与回收4.3.1设备分配中的数据结构1．设备控制表系统为每台设备配置一张设备控制表，用于记录设备的特性及与输入输出控制器连接的情况。设备控制表中包括：设备标识符、设备类型、设备状态、设备等待队列指针、输入输出控制器指针、设备相对号、占用作业名等。设备标识符也称为设备绝对号。它是指计算机系统对每台设备的编号。用户对每类设备的编号称为设备相对号，也称为设备类号。第4章设备管理4.3设备分配与回收4.3.1设备分配中的数据结构2．控制器控制表系统为每个控制器配置了一张控制器控制表，以反映控制器的使用状态，以及与通道的连接状况等。其内容包括控制器标识符、控制器的状态、与控制器连接的通道表指针、控制器队列的队首指针、通道队列的队尾指针等。其中与控制器连接的通道表指针指向该控制器的通道控制表。第4章设备管理4.3设备分配与回收4.3.1设备分配中的数据结构3．通道控制表系统为每个通道配置一张通道控制表，以反映通道的使用状态。其内容包括通道标识符、通道状态、等待获得该通道的进程等待队列指针等。第4章设备管理4.3设备分配与回收4.3.1设备分配中的数据结构4．系统设备表系统设备表也称为设备类表，整个系统配置一张。它记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，每个物理设备占一个表目，包括设