操作系统第5章设备管理(1)

OperatingSystemPage12019/10/4OperatingSystemPage22019/10/4第五章设备管理I/O系统是计算机系统的重要组成部分I/O系统包括用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的控制器设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O的利用率设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性OperatingSystemPage32019/10/4内容（1）I/O组成；（2）I/O控制；指I/O完成的方法。（3）I/O缓冲；（4）I/O分配；（5）I/O处理。指具体I/O命令的完成过程。OperatingSystemPage42019/10/45.1I/O系统I/O系统的组成在一个计算机系统中，除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外，还需要有相应的设备控制器。在大、中型计算机系统中，还需要I/O通道，这些设备以及相应的总线构成了I/O系统。I/O系统的结构对于不同规模的计算机系统，其I/O系统的结构也有所差异。通常可将I/O系统的结构分成两大类：1、微型机I/O系统2、主机I/O系统OperatingSystemPage52019/10/45.1I/O系统I/O系统的组成1、微型机I/O系统由于微型机本身比较简单，其I/O系统多采用总线I/O系统结构。CPU和内存是直接连接到总线上的。I/O设备是通过设备控制器连接到总线上，CPU并不直接与I/O设备进行通信，而是与设备控制器进行通信，设备控制器是处理机和设备之间的接口，控制器有磁盘控制器、打印机控制器等。2、主机I/O系统在I/O系统中采用总线结构，而是增加一级I/O通道。其中，I/O系统共分为4级：最低级为I/O设备，次低级为设备控制器，次高级为I/O通道，最高级是计算机。因而也称这样的I/O系统结构为四级结构。OperatingSystemPage62019/10/4第五章设备管理I/O系统I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理磁盘存储器管理OperatingSystemPage72019/10/4I/O系统I/O设备设备控制器I/O通道总线系统OperatingSystemPage82019/10/4I/O设备I/O设备的类型按从属关系分类系统设备用户设备OperatingSystemPage92019/10/4I/O设备I/O设备的类型按传输速率分类低速设备每秒几个字节至数百字节键盘、鼠标、语音输入输出设备等中速设备每秒数千至数万字节行式打印机、激光打印机等高速设备每秒数百K至数十M字节磁盘机、磁带机、光盘机等OperatingSystemPage102019/10/4I/O设备I/O设备的类型按信息交换的单位分类块设备(BlockDevice)信息的存取总是以数据块为单位可寻址磁盘，每个盘块的大小为512B~4KB字符设备(CharacterDevice)基本单位是字符不可寻址交互式终端、打印机OperatingSystemPage112019/10/42)可将I/O设备分成两类。第一类是块设备(BlockDevice)这类设备用于存储信息。由于信息的存取总是以数据块为单位，故而得名。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘，每个盘块的大小为512B~4KB。磁盘设备的基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址，即对它可随机地读/写任一块；此外，磁盘设备的I/O常采用DMA方式。第二类是字符设备(CharacterDevice)用于数据的输入和输出。其基本单位是字符，故称为字符设备。它属于无结构设备。交互式终端、打印机等。字符设备的基本特征是：①传输速率较低；②不可寻址；即不能指定输入时的源地址及输出时的目标地址；③字符设备在I/O时，常采用中断驱动方式。OperatingSystemPage122019/10/4I/O设备I/O设备的类型按资源分配角度分类（共享属性）独占设备多数低速设备属独占设备，如打印机共享设备可供多个进程同时访问，如磁盘虚拟设备通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备，供若干个进程同时使用临界资源OperatingSystemPage132019/10/4I/O设备I/O设备的类型按操作特性存储设备存储信息，如磁盘等I/O设备用来向CPU传送信息或输出加工处理后的信息，如显示器、打印机OperatingSystemPage142019/10/42.设备与控制器之间的接口通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信。因此，在设备与设备控制器之间应有一接口。OperatingSystemPage152019/10/4I/O设备设备与控制器之间的接口数据信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信号控制信号线作为由设备控制器向I/O设备发送控制信号（规定设备应执行的操作）时的通路状态信号线用于传送指示设备当前状态的信号缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口由外界输入的信号经转换器转换后送入缓冲器，数据达到一定的字符数后，再从缓冲器通过一组数据信号线送到控制器从设备控制器经过数据信号线传送来的数据先暂存在缓冲器，经转换器经过适当转换后，逐个字符输出信号规定设备要执行的操作指示设备当前状态，正在读、写或完成OperatingSystemPage162019/10/4I/O系统I/O设备设备控制器I/O通道总线系统OperatingSystemPage172019/10/4设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口接收CPU发来的命令，控制一个或多个I/O设备工作，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换，减轻CPU的负担设备控制器是一个可编址的设备设备控制器分类控制字符设备控制块设备OperatingSystemPage182019/10/4设备控制器基本功能接收和识别命令应有控制寄存器存放接受的命令和参数，并对其译码数据交换实现CPU与控制器、控制器与设备之间的数据交换，需设置数据寄存器标识和报告设备的状态：需设置状态寄存器地址识别识别所控制的设备，需设置地址译码器数据缓冲：解决I/O设备速率低的问题差错控制：对I/O设备发送的数据OperatingSystemPage192019/10/42.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所发来的命令去控制设备的工作功能。因此，现有的大多数控制器都是由以下三部分组成的：（1）设备控制器与处理机的接口。（2）设备控制器与设备的接口（3）I/O逻辑OperatingSystemPage202019/10/4设备控制器设备控制器的组成设备控制器与处理机的接口实现CPU与设备控制器之间通信三类信号线数据线：连接•数据寄存器：存放设备或CPU送来的数据•控制/状态寄存器：存放CPU送来的控制信息或设备的状态信息地址线控制线OperatingSystemPage212019/10/4设备控制器设备控制器的组成设备控制器与设备的接口一个设备控制器可连接一个或多个设备控制器中则有一个或多个设备接口接口中存在数据、控制、状态信号I/O逻辑根据处理机发来的地址信号选择一个设备接口OperatingSystemPage222019/10/4设备控制器设备控制器的组成I/O逻辑：实现对设备的控制处理机利用它向控制器发送I/O命令I/O逻辑对接受到的命令进行译码CPU发送同时启动命令及地址（通过地址线）发送给控制器，控制器的I/O逻辑对地址译码，在根据命令对所选设备进行控制OperatingSystemPage232019/10/4设备控制器设备控制器的组成数据寄存器控制/状态寄存器数据线I/O逻辑…控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制…地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口OperatingSystemPage242019/10/4I/O系统I/O设备设备控制器I/O通道总线系统OperatingSystemPage252019/10/4I/O通道I/O通道(I/OChannel)设备的引入是一种特殊处理机，专门负责输入/输出工作有自己简单的指令系统，只有数据传送指令和设备控制指令主要目的是为了建立独立的I/O操作，使有关对I/O操作的组织、管理及其结束处理也独立于CPUCPU向I/O通道发送I/O命令，由通道执行程序通道与一般处理机的区别指令单一没有独立的内存OperatingSystemPage262019/10/45.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)设备的引入其主要目的是为了建立独立的I/O操作，其目的是使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担，实际上，I/O通道是一种特殊的处理机。它具有执行I/O指令的能力，并通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。但I/O通道又与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：一是其指令类型单一，这是由于通道硬件比较简单，其所能执行的命令，主要局限于与I/O操作有关的指令；再就是通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的，换言之，是通道与CPU共享内存。OperatingSystemPage272019/10/42.通道类型1)字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)2)数组选择通道(BlockSelectorChannel)3)数组多路通道(BlockMultiplexorChannel)OperatingSystemPage282019/10/42.通道类型1)字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)这些通道按时间片轮转方式共享主通道。当所有子通道轮转一周后，重又返回来由第一个子通道去使用。通过字节多路通道来连接低速或中速设备时，便不能丢失信息。OperatingSystemPage292019/10/4I/O通道通道类型字节多路通道（ByteMultiplexorChannel）以字节交换方式工作，分时并行操作主要用来连接多个中低速设备控制器A控制器B控制器C控制器D控制器N…A1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备OperatingSystemPage302019/10/4I/O通道通道类型数组选择通道（BlockSelectorChannel）以成组方式工作，高速传输数据可以连接多台高速设备仅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I/O设备由设备独占使用，利用率较低OperatingSystemPage312019/10/42)数组选择通道(BlockSelectorChannel)字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。这种通道虽然可以连接多台高速设备，但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道通道程序，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，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直至该设备传送完毕释放该通道。可见，这种通道的利用率很低。OperatingSystemPage322019/10/4I/O通道通道类型数组多路通道（BlockMultiplexorChannel）将数组选择通道传输速率高和字节多路通道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OperatingSystemPage3320