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第五章设备管理第五章设备管理5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3缓冲管理5.4设备分配5.5设备处理5.6磁盘存储器管理第五章设备管理设备管理的基本任务：完成用户提出的I/0请求、提高I/O速率和I/O设备的利用率等。设备管理的主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备、设备的独立性等。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按传输速率分类低速设备，指其传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。属于低速设备的典型设备有键盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按传输速率分类中速设备，指其传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节的一类设备。典型的中速设备有行式打印机、激光打印机等。高速设备，指其传输速率在数百千个字节至数十兆字节的一类设备。典型的高速设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按信息交换的单位分类块设备(BlockDevice)，用于存储信息。信息的存取总是以数据块为单位，属于有结构设备。典型的块设备是磁盘。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。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按信息交换的单位分类字符设备(CharacterDevice)，用于数据的输入和输出。属于无结构设备，其基本单位是字符。如打印机等。字符设备的基本特征是其传输速率较低，通常为几个字节至数千字节；另一特征是不可寻址；此外，字符设备的I/O常采用中断驱动方式。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按设备的共享属性分类独占设备。共享设备。可寻址，可随机访问。虚拟设备。通过虚拟技术将一台设备变为若干台逻辑设备共若干用户(进程)使用。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按设备的功能分类输入设备：如键盘、数字化仪、扫描仪等。输出设备：如显示器、打印机等。存储设备：如磁盘、磁带、光盘等。供电设备：如开头电源、联机UPS等。网络联网设备：如路由器、调制解调器、集线器、交换机等。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按外部设备的从属关系分类系统设备：指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备，如终端、打印机、磁盘机等。用户设备：指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。第五章设备管理5.1I/O系统5.1.1I/O设备1.I/O设备的类型按设备的管理模式分类物理设备：指计算机系统硬件配置的实际设备。这些设备在操作系统内具有唯一的符号名称，系统可以按照该名称对相应设备进行物理操作。逻辑设备：是指一种在逻辑意义上存在的设备，在未加定义前，它不代表任何硬件设备和实际设备。逻辑设备是系统提供的，它也是独立于物理设备而进行输入输出操作的一种虚拟设备。第五章设备管理2.设备与控制器之间的接口设备与控制器间的接口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5.1I/O系统5.1.1I/O设备第五章设备管理5.1.2设备控制器1.设备控制器的基本功能1)接收和识别命令2)数据交换3)标识和报告设备的状态4)地址识别5)数据缓冲6)差错控制5.1I/O系统第五章设备管理2.设备控制器的组成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5.1.2设备控制器5.1I/O系统第五章设备管理5.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)设备的引入通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入输出操作可与CPU并行操作。引入通道是为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力。5.1I/O系统第五章设备管理5.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)设备的引入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：指令类型单一，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，通道与CPU共享内存。5.1I/O系统第五章设备管理通道的工作原理包含通道指令(空操作，读操作，写操作，控制，转移操作)，并可执行用这些指令编写的通道程序。通道执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPU发中断信号的功能。一旦CPU发出指令，启动通道，则通道独立于CPU工作。一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接。5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理2.通道类型字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息。主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机，终端。以字节为单位交叉传输，当一台传送一个字节后，立即转去为另一台传送字节。5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理2.通道类型字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)字节多路通道的工作原理控制器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5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理2.通道类型数组选择通道(BlockSelectorChannel)每次传送一批数据，故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输。当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序。主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备。5.1.3I/O通道5.1I/O系统选择通道第五章设备管理2.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，使得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。5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理2.通道类型数组多路通道(BlockMultiplexorChannel)主要连接高速设备，实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现。5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理3.“瓶颈”问题单通路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5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理多通路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3.“瓶颈”问题5.1.3I/O通道5.1I/O系统第五章设备管理5.1.4总线系统5.1I/O系统总线的定义在计算机系统内各种子系统，如CPU、内存、I/O设备等之间构建公用的信号或数据传输通道，这种可共享连接的传输通道称为总线。总线型I/O系统结构CPU存储器磁盘控制器打印机控制器…其它控制器磁盘驱动器打印机系统总线第五章设备管理5.1.4总线系统5.1I/O系统总线的分类总线的分类CPU-内存总线I/O总线数据总线地址总线控制总线第五章设备管理5.2I/O控制方式5.2.1程序I/O方式在程序I/O方式中，CPU的高速性和I/O设备的低速性矛盾，CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中，造成对CPU的极大浪费。因为在CPU中无中断机构，使I/O设备无法向CPU报告它已完成了一个字符的输入操作。第五章设备管理向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读入字向存储器中写字传送完成？未就绪就绪出错CPU-I/OI/O-CPUI/O-CPUCPU-内存下条指令完成未完(a)程序I/O方式第五章设备管理5.2.2中断驱动I/O控制方式在I/O设备输入每个数据的过程中，无须CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间去做些中断处理。这样可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。5.2I/O控制方式第五章设备管理向I/O控制器发读命令读I/O控制器的状态检查状态？从I/O控制器中读字向内存中写字传送完成？就绪出错CPU-I/OI/O-CPUI/O-CPUCPU-内存下条指令完成未完中断CPU做其它事(b)中断驱动方式第五章设备管理5.2.2中断驱动I/O控制方式例如，从终端输入一个字符的时间约为100ms，而将字符送入终端缓冲区的时间小于0.1ms。采用程序I/O方式，CPU约有99.9ms的时间处于忙—等待中。采用中断驱动方式，CPU可利用99.9ms的时间去做其它事情，而仅用0.1ms的时间来处理由控制器发来的中断请求。5.2I/O控制方式第五章设备管理5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入特点数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送至少一个数据块；所传送的数据是从设备直接送入内存的，或相反仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。实质上取代了CPU对I/O的控制。5.2I/O控制方式第五章设备管理向I/O控制器发布读块命令CPU-DMACPU做其它事读DMA控制器的状态中断DMA-CPU下条指令(c)DMA方式5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入5.2I/O控制方式第五章设备管理5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式1.DMA(DirectMemoryAccess)控制方式的引入与中断方式的区别中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，CPU进行中断处理；DMA方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理，大大减少了CPU进行中断处理的次数。中断方式的数据传送是由CPU控制完成的；而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的。5.2I/O控制方式第五章设备管理2.DMA控制器的组成DMA控制器的组成DRMARDCCRI/O控制逻辑…主机—控制器接口控制器与块设备接口count内存CPU命令系统总线DMA控制器5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2I/O控制方式第五章设备管理2.DMA控制器的组成为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置如下四类寄存器:命令/状态寄存器CR。用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息，或设备的状态。数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存，或从内存到设备的数据。5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2I/O控制方式第五章设备管理2.DMA控制器的组成四类寄存器:内存地址寄存器MAR。在输入时，它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备的内存源地址。数据计数器DC。存放本次CPU要读或写的字(节)数。5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式5.2I/O控制方式第五章设备管理3.DMA工作过程5.2.3直接存储器访问DMAI/O控制方式DMA方式的工作流程设置MAR和DC初值启动DMA传送命