操作系统设备管理

第七章I/O设备管理§7.1I/O设备§7.2数据传送控制方式§7.3设备分配§7.4缓冲管理§7.5I/O处理过程§7.1I/O设备OS设备管理中的设备指外部设备，包括输入设备与输出设备，即除主机（CPU+内存）之外的所有设备。I/O性能经常成为整个系统性能的瓶颈，CPU性能并不等于系统性能，CPU性能越高，与I/O差距越大。OS庞大复杂的原因之一就是外设资源多而杂，种类繁多，结构各异，I/O数据信号类型不同，速度差异很大。§7.1I/O设备在多道程序环境中，设备管理把着眼点放在：设备的有效使用设备和CPU的并行工作让用户方便使用设备一、计算机设备的分类§7.1I/O设备基于设备的工作特性：外部存储设备（长期保存信息，可随时访问，如磁盘、磁带）输入/输出设备（字符设备，以单个字符为单位存储、传输信息，如显示器、键盘、打印机等）§7.1I/O设备基于设备的从属关系：—系统设备（一般是标准设备）（OS生成时就配置在系统中的标准设备，如：键盘、鼠标、显示器、终端、打印机等）—用户设备（一般为非标准设备）（设备的处理程序由用户提供，需另外安装，如：扫描仪、A-D/D-A转换设备等）§7.1I/O设备基于设备的分配特性：—独享设备（使用具有排它性，低速I/O设备）—共享设备（可由多个用户程序交替使用，如硬盘）—虚拟设备(模拟独占设备为共享设备，即将慢速的独占设备经软件技术改造成为多个进程可以共享的设备，典型如SPOOLing技术）§7.1I/O设备基于信息组织和处理的方式：—字符设备（信息以字符为单位来组织和分配的；系统中大部分均属此类，如打印机、键盘、显示器等；特点是速度慢，也称慢速设备）—块设备（信息以块为单位来组织和分配的；如磁盘、磁带等；特点是速度快，也称快速设备）二、设备管理的目标与功能§7.1I/O设备1.设备管理目标：提高系统资源利用率多道程序环境下，资源数总是少于进程数。需合理分配设备资源，并使外设与外设、外设与CPU并行工作，使设备尽可能处于忙碌状态。方便用户使用对于各种各样的外设，为用户提供便利、统一的使用界面。OS把各种外设的物理特性隐藏起来，把各种外设的具体操作方式隐藏起来，由OS面对；而让用户面对的是使用方便的设备，这样就可使用户摆脱繁琐的编程负担。§7.1I/O设备2.设备管理的功能：提供用户接口：提供一组I/O命令，即用户使用外设的接口，用户在程序中通过这些命令使用外设。进行设备的分配与回收：OS中I/O管理程序负责接受用户使用外设的请求、分配设备、回收设备。实现真正的I/O操作：OS依据用户的请求，通过具体的设备驱动程序，启动外设，进行实际的I/O操作；操作完毕就通知用户进程，由设备中断服务程序完成善后工作。其它功能：管理缓冲区，CPU与I/O设备通过缓冲区传送数据，以解决高速CPU与慢速外设之间矛盾。OS有专门软件管理缓冲区的分配与回收。§7.2数据传送控制方式计算机系统的输入/输出，实质是进行数据的输入/输出，即数据的传输。数据传输：I/O设备←→内存I/O设备←→CPU数据传输方式有四种：程序直接控制方式中断控制方式DMA方式通道控制方式§7.2数据传送控制方式一、设备控制器I/O设备一般由机械部分与电子部分构成，把这两部分分开处理，通过接插件、电缆相连。机械部分即设备本身电子部分即设备控制器（适配器、接口卡）每种I/O设备都要通过设备控制器与CPU相连。设备控制器是CPU与I/O设备间的接口，处于CPU与外设之间。§7.2数据传送控制方式系统总线CPU内存磁盘控制器打印机控制器HD打印机…微机的I/O设备通过总线与CPU连接设备控制器§7.2数据传送控制方式设备控制器通过自己内部的寄存器与CPU通信数据寄存器数据传输的缓冲状态寄存器存放外设的状态，供CPU测试控制寄存器存放CPU发出的操作命令与参数OS把命令以及参数写入控制寄存器，外设据此实现I/O设备控制器接受命令后，就独立于CPU去完成命令指定的任务。§7.2数据传送控制方式外设接受了CPU的I/O命令，随后即独立于CPU进行I/O操作，这时外设与CPU并行，即在外设I/O的同时，CPU在运行其它进程。外设完成所要求的I/O任务后，要通知CPU。早期采用“被动式”，控制器设置一个完成标志，等待CPU来查询，即程序直接控制方式。现在采用“主动式”，即通过中断方式主动通知CPU，让CPU来进行处理，即中断控制方式。直接存储器存取方式（DMA）和通道控制方式也是基于中断的主动型的数据传输控制方式。§7.2数据传送控制方式二、程序直接控制方式向控制器发读命令读控制器状态检查状态从控制器中读入字向存储器中写字传送完成？出错未就绪未完成完成下条指令CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存就绪以读为例，说明程序直接控制I/O方式§7.2数据传送控制方式评价：在程序I/O方式中，由于CPU的高速与I/O设备的低速，使得CPU绝大部分时间，都处于等待外设完成数据I/O的循环测试之中，造成CPU的极大浪费。此外，CPU与I/O设备只能串行工作，整个计算机系统效率低下。§7.2数据传送控制方式三、中断方式以读为例，说明中断控制I/O方式向控制器发读命令读控制器状态检查状态从控制器中读入字向内存中写字传送完成？出错未完成完成下条指令CPU→I/OI/O→CPUI/O→CPUCPU→内存就绪CPU做其它事中断完成信号§7.2数据传送控制方式中断方式说明：1.某一进程处于执行状态，通过CPU向外设控制器发出I/O指令；该进程随即阻塞，等待I/O完成；OS立即将CPU调度给其它进程使用；而外设控制器得到指令后，就独立于CPU进行指令规定的操作；如此，CPU与I/O并行工作。2.当外设I/O操作完成，设备控制器立即向CPU发中断完成信号；CPU接到信号响应该中断，立即转中断处理程序；由中断处理程序把数据从设备控制器传送到内存。3.被阻塞进程在I/O完成后，状态即转变为就绪，等待OS调度，以执行余下的程序。§7.2数据传送控制方式四、直接存储器存取方式以上介绍的程序控制方式和中断方式，主机与外设进行的数据传送都是以CPU为中心组织的。CPUI/O设备内存DMA（DirectMemoryAccess）DMA方式在外设与内存之间开辟了直接交换数据的通路，使用于磁盘等高速I/O设备。在DMA控制器的控制下，内存和硬盘直接进行成批数据的快速传送，不需要CPU的加入。形成了以内存为中心组织的数据传送。内存CPUI/O设备§7.2数据传送控制方式DMA传输数据步骤：1.一进程请求设备I/O，CPU做如下事：内存起始地址→DMA控制器的地址寄存器传输字节数→DMA控制器的字节计数器启动DMA控制器2.该进程阻塞，等待I/O完成3.DMA与内存进行数据传输，成批数据传送由字节计数器计算控制4.传输完，向CPU发中断完成信号5.CPU接受DMA中断请求，转中断处理程序6.数据传送完成，唤醒被阻塞进程§7.2数据传送控制方式§7.2数据传送控制方式五、通道方式通道介绍：独立于CPU、专门用作管理I/O的处理机，控制设备与内存直接进行数据交换通道有自己的指令系统，数量不多，仅涉及读、写、查询、控制等功能；用以编写通道程序采用通道的系统中，主机与通道相连，通道与设备控制器相连，设备控制器与设备相连§7.2数据传送控制方式CPU通道设备控制器设备控制器设备设备设备设备…§7.2数据传送控制方式通道方式工作步骤：1.一进程提出I/O请求，CPU把数据传输任务交给通道（指明操作方向、设备号、通道号）2.该进程阻塞，CPU随即被调度给其它进程3.通道按CPU发来的启动命令，调用通道程序执行（这时通道与CPU并行工作），外设在通道程序的规定下，与内存交换数据4.数据传输完毕，通道向CPU发中断请求5.CPU响应中断，转中断处理程序，对I/O作善后处理，唤醒被阻塞的进程成就绪态。§7.3设备分配在OS的统一管理下，用户进程使用设备，须先提出I/O请求，由OS的设备管理程序进行分配。设备分配与下列因素有关：设备属性系统采用的分配算法与设备无关性原则设备分配的安全性§7.3设备分配一、设备属性和设备分配方法1.独占设备：使用上具有排它性的设备，如打印机。分配策略：系统一旦将该类设备分配给指定进程，就由它独占使用，直到用毕释放。2.共享设备：如磁盘，这类设备可由多个进程同时使用，每个进程只用其中一部分，在时间上则是交叉对设备进行存取访问。系统对共享设备不进行分配，而是对这一类的I/O请求进行调度。§7.3设备分配3.虚拟设备：在大容量磁盘的支持下，用软件技术对独占设备进行改造，使得用户在使用独占设备时，感觉上认为不用同其它进程竞争，便可方便地获得独占设备。Spooling技术就是一个典型的实现虚拟设备的系统。§7.3设备分配二、Spooling技术基本思想：一些低速字符设备都是独享设备，其使用具有排它性，不利于多道程序并行工作，影响系统效率。OS以大容量的共享设备—磁盘为依托，用软件技术来改造独享设备，使用户在感觉上认为他们使用的是共享设备。§7.3设备分配SPOOLing系统由3部分组成：输入井与输出井硬盘上2大存储空间—输入井：用于收容I/O设备的输入数据—输出井：用于收容用户程序的输出数据输入缓冲区与输出缓冲区内存中开辟的2个缓冲区—输入缓冲区：用于暂存由输入设备送来的数据，以后再传送输入井—输出缓冲区：用于暂存由输出井送来的数据，以后再传送输出设备§7.3设备分配预输入程序与缓输出程序—预输入进程将用户要求的输入数据，从输入设备输入缓冲区输入井，当CPU需要输入数据时，直接从输入井读入内存。缓输出进程将用户要求输出的数据，从内存输出井输出缓冲区（当输出设备空闲时）输出设备。§7.3设备分配输入井输出井输出设备SPOOLing系统工作示意磁盘输入设备预输入进程输出缓冲区缓输出进程输入缓冲区内存§7.3设备分配系统对用户请求的处理当用户请求打印输出时，SPOOLing系统中输出进程做如下2件事：A）在输出井申请一空闲盘块区将要打印的数据送入其中B）为用户申请空白的用户请求打印表将用户的打印请求填入表中把该表挂到请求打印队列上。如还有其它进程提出打印请求，系统一概接受请求，同样做上述2件事。以共享打印机为例说明SPOOLing系统工作过程§7.3设备分配系统对具体输出的处理如打印机空闲，输出进程做以下操作：从请求打印队列的队首取出请求打印表将打印数据从输出井送内存输出缓冲区打印机执行打印操作打印完即检查打印队列是否还有请求表若有，取出现时队首的请求表，继续上述操作若无，即打印队列空，输出进程阻塞自己等再有打印请求才被唤醒§7.3设备分配SPOOLing系统的特点：将独占设备改造为共享设备，实现了虚拟设备功能。宏观上看，多个进程能同时使用一台独占设备，从每一个进程看，都认为自己独占了一个设备（逻辑设备）。提高了I/O速度。从请求打印的进程角度看，其输出数据实质上是送到输出井，极其快速。§7.3设备分配三、设备分配方法设备分配2种方式：静态分配方式在用户进程创建时，OS便一次性地把进程运行所要求的全部设备都分配给它，并由该进程占有，直到进程撤消。不会死锁，但设备利用率极其低下。动态分配方式在进程执行过程中，随时根据需要，向系统提出设备请求，由系统依据一定算法给进程分配设备，用户进程用完设备，即予释放。有利于提高设备利用率，但分配不当即有死锁可能。§7.3设备分配动态分配算法：先来先服务对于多个请求某类设备的用户进程，系统按其发出请求的先后顺序，使它们在设备请求队列里排队，并把设备分配给队列的前列者。优先级高者优先进入设备请求队列的进程，按优先级排队，优先级相同，则按到达的先后排，系统总是把设备分配给队列的首进程使用。§7.3设备分配四、设备管理采用的数据结构系统设备表SDT（Sy