第6章设备管理(1)

12019/10/4第6章设备管理“设备”泛指计算机系统中的外部设备，即除主机以外的其他所有设备。在多道程序设计环境下，计算机系统允许多个用户作业同时在内存，它们的运行势必涉及到I/O设备。于是，对于设备本身，有一个如何有效利用的问题；对于设备和CPU，有一个如何发挥并行工作能力的问题；对于设备和用户，有一个如何方便使用的问题。22019/10/4设备管理的任务是完成用户提出的I/O请求，为用户分配I/O设备，提高CPU与I/O设备的利用率，提高I/O设备的速度，方便用户使用I/O设备。32019/10/46.1.1I/O系统的基本功能方便用户使用I/O设备隐藏物理设备的细节与设备的无关性提高CPU和I/O设备的利用率提高CPU和I/O设备的利用率对I/O设备进行控制为用户的共享设备时提供方便确保对设备的正确共享错误处理42019/10/46.1.2I/O系统的层次和结构模型I/O层次结构用户层I/O软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序52019/10/42019/10/4I/O层次结构用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件实现与用户交互的接口，产生I/O请求负责实现与设备驱动器的统一接口、设备命名，设备的保护，设备的分配与释放，缓冲等。与硬件直接相关，负责具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序保护环境，转入相应处理程序，恢复现场等执行I/O操作62019/10/42019/10/4操作系统的I/O子系统通常由四个层次组成，每一层明确定义了与邻近层次的接口。其合理的层次组织排列顺序是(2012)A.用户级I/O软件、设备无关软件、设备驱动程序、中断处理程序B、用户级I/O软件、设备无关软件、中断处理程序、设备驱动程序C、用户级I/O软件、设备驱动程序、设备无关软件、中断处理程序D、用户级I/O软件、中断处理程序、设备无关软件、设备驱动程序用户程序发出磁盘I/O请求后，系统的处理流程是：用户程序-系统调用处理程序-设备驱动程序-中断处理程序。其中，计算数据所在磁盘的柱面号、磁头号、扇区号的程序是（2011,2013）A、用户程序B、系统调用处理程序C、设备驱动程序D、中断处理程序72019/10/42019/10/4I/O层次视图用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O系统接口RW/HW接口82019/10/46.1.3I/O系统接口块设备接口块设备：数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。特点：传输速率高，可寻址，DMA控制方式隐藏了磁盘的二维结构将抽象命令映射为低层操作流设备接口字符设备。特点：传输速率低，不可寻址，中断驱动方式Get操作和put操作In-control指令网络接口92019/10/46.2I/O设备和设备控制器I/O设备由执行I/O操作的机械部分和执行控制I/O的电子部件（设备控制器）组成。102019/10/46.2.1I/O设备1、I/O设备的类型按使用特性分存储设备：用以存储信息的主要设备输入输出设备：输入设备,输出设备,交互式设备112019/10/4I/O设备的分类按传输速率分低速设备：每秒几个到数百字节。如键盘、鼠标中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机高速设备：每秒数百K到数兆。如磁盘、磁带122019/10/4按信息交换的单位分类块设备：I/O传输的单位是块，如磁盘、磁带。特征：速率高（几兆）、可寻址（可随机访问任一块）、DMA方式驱动。字符设备：I/O传输的单位是字节，如打印机、modem等。特征：速率较低、不可寻址、中断驱动。132019/10/4按设备共享属性分类独占型设备：在任一段时间内最多有一个进程占用它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。共享型设备：多个进程对它的访问可以交叉进行，除磁带机外的块设备属共享设备虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备142019/10/42、设备与控制器之间的接口通常，设备不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信，因此在I/O设备中应含有与设备控制器间的接口，在该接口中有三种类型的信号，各对应一条信号线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152019/10/42、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162019/10/46.2.2设备控制器设备控制器主要负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。它是CPU与I/O设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作，以使CPU从繁杂的设备控制事务中解脱出来。是一个可编址设备，每一个地址对应一个设备。设备控制器可分为两类，一类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。在微型机中的控制器，常做成印刷电路卡，因而也常称为接口卡172019/10/4设备控制器的基本功能接收和识别命令数据交换标识和报告设备的状态地址识别数据缓冲差错控制182019/10/4设备控制器的组成由于设备控制器位于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的功能，因此现有的大多数控制器都是由三部分组成设备控制器与处理机的接口设备控制器与设备的接口I/O逻辑192019/10/4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202019/10/46.2.3内存映像I/O212019/10/46.2.3内存映像I/O222019/10/4I/O通道虽然在CPU与I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少CPU对I/O的干预，但当一个系统配置的设备较多时，I/O操作较为频繁的情况下，CPU可能完全陷入I/O处理，这样会大大地降低计算机系统的效率，解决的方法就是用到通道技术。232019/10/4通道方式的目的使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担，从而使CPU彻底从I/O中解放出来。当用户发出I/O请求后，CPU就把该请求全部交由通道去完成。通道在整个I/O任务结束后，才发出中断信号，请求CPU进行善后处理。不仅数据传输独立于CPU,而且I/O操作的组织管理也独立于CPU。I/O通道的引入：242019/10/4为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来，现代大、中型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机，并把这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内存与外设之间成批的数据交换。通道=I/O处理机通道概念252019/10/4I/O通道与一般的处理机不同，主要表现在以下两个方面：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；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。262019/10/4I/O通道I/O通道的分类字节多路通道数据选择通道数组多路通道272019/10/4通道的种类字节多路通道：字节多路通道是以字节为基本传输单位，通常含有许多非分配型子通道，其数量从几十到数百个，每一个子通道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通道按时间片轮转主式共享主通道。当一个子通道控制的某台外设交换了一个字节后，就转向下一个子通道，以控制下一台设备传送一个字节。这就实现了子通道的循环轮转，以达到多路控制的目的，字节多路通道主要用来控制低速、并且以字节为基本传送单位的设备。如打印机。282019/10/4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292019/10/4数组选择通道：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。它的优点是传输速度高，缺点是一次只能控制一台设备进行I/O操作，利用率低。它主要用来控制高速外设。如磁盘选择通道302019/10/4数组多路通道：这种通道是上述两种通道的折中，可以分时的方式执行多道程序，每道程序可传送一组数据。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。也正因此，才使该通道能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。在一大型系统中可以同时存在这三种类型的通道以便控制各种不同类型的设备。312019/10/4通道I/O系统结构在大型计算机系统中较为典型的I/O系统结构是主机、通道、控制器和外部设备。322019/10/4“瓶颈”问题图5-4单通路I/O系统设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器332019/10/4图5-5多通路I/O系统I/O设备控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备I/O设备I/O设备解决“瓶颈”问题的最有效方法就是增加设备到主机间的通路而不增加通道342019/10/4练习通道是I/O处理机，它用于实现______之间的信息传输；____用作连接大量的低速或中速设备；A、数据选择通道B、字节多路通道C、数据多路通道按_____分类可将设备分为块设备和字符设备。A、从属关系B、操作特性C、共享属性D、信息交换单位352019/10/4练习硬盘属于()A、字符型设备B、独占型设备C、块设备D、虚拟设备所有的块型设备都是共享设备。()打印机是一类典型的块设备。（）选择通道主要用于连接低速设备.（）362019/10/46.3中断机构和中断处理程序中断的简介中断是由于某些事件的出现，中止现行进程的执行，而转去处理出现的事件，中断事件处理完后，再继续运行被中止进程的过程。在这里引起中断的事件称为中断源。中断事件通常由硬件发现中断的处理对出现的事件进行处理的程序称为中断处理程序。中断处理程序是由操作系统处理的，属于操作系统的组成部分372019/10/4中断的简介382019/10/4中断的简介392019/10/4中断的处理中断处理过程①测定是否有未响应的中断信号。②保护被中断进程的CPU环境。③转入相应的设备处理程序。④中断处理。⑤恢复现场，退出中断。402019/10/4图6-10中断现场保护示意图PSW程序状态字PC(N＋1)程序计数器R0Rn…寄存器……开始返回用户程序中断服务子例程PSWPC(N＋1)中断栈TT＋M线指针YNN－1R0Rn…412019/10/4唤醒被阻塞的驱动程序进程对被中断进程的CPU环境进行保护分析中断原因，转入相应的中断处理程序终端中断处理程序打印机中断处理程序磁盘中断处理程序…恢复被中断进程的CPU现场…返回被中断的进程，继续执行中断请求信号图6-11中断处理流程422019/10/46.4设备驱动程序设备处理程序通常又称为设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序，又由于它常以进程的形式存在，所以简称之为设备驱动进程主要任务：接收上层软件发来的抽象要求，把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行。也将由设备控制