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Ch10 设备管理

Ch10 设备管理. 10.1 概述 10.2 I/O 子系统的层次模型 10.3 I/O 硬件组成 10.4 设备驱动程序 10 .5 I/O 子系统 10.6 流 10.7 磁盘调度. 10.1 概述. 一、 I/O 管理的重要性 I/O 设备就像计算机系统的五官和四肢。 2.I/O 性能经常成为系统性能的瓶颈 (1)CPU 性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 (2)CPU 性能越高，与 I/O 差距越大 弥补：更多的进程 (3) 进程切换多，系统开销大.

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Presentation Transcript

  1. Ch10 设备管理 • 10.1 概述 • 10.2 I/O子系统的层次模型 • 10.3 I/O硬件组成 • 10.4 设备驱动程序 • 10.5 I/O子系统 • 10.6 流 • 10.7 磁盘调度

  2. 10.1 概述 一、 I/O管理的重要性 • I/O设备就像计算机系统的五官和四肢。 2.I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 (1)CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 (2)CPU性能越高，与I/O差距越大 弥补：更多的进程 (3)进程切换多，系统开销大

  3. 3.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O。3.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O。 4.理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键。 5.I/O技术很实用。 6.与其他功能联系密切，特别是文件系统。

  4. 二、 设备的分类 1.按使用特性分 存储型设备 输入型设备（外设主机） 输出型设备（主机外设） 输入输出型设备（交互型设备）

  5. 2.按数据组织分 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 字符设备 以字符为单位存储、传输信息

  6. 3.按外部设备的从属关系分 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）

  7. 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。 （如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备）

  8. 4. 按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁带等） 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。（如硬盘）

  9. 虚设备 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设备 目的：将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 ——用硬盘模拟输入输出设备）

  10. SPOOLing技术 为解决独立设备数量少，速度慢，不能满足众多进程的要求，而且在进程独占设备期间，设备利用率比较低而提出的一种设备管理技术

  11. 5.从程序使用角度分 逻辑设备 物理设备 6.按数据传输率分 高速设备 低速设备 7.按是否交互分

  12. 三、 设备管理的目标和任务 1. 按照用户的请求，控制设备的各种操作，完成I/O设备与内存之间的数据交换（包括设备分配与回收；设备驱动程序；设备中断处理；缓冲区管理），最终完成用户的I/O请求

  13. 功能 （1）设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一 定的分配算法，选择一条数据通路 （2）建立统一的独立于设备的接口 （3）完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作 （4）处理外部设备的中断处理 （5）管理I/O缓冲区

  14. 2.向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担2.向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担 • 方便性 • 友好界面 • 透明性 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节（设备的物理细节，错误处理，不同I/O的差异性）

  15. 3.充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率3.充分利用各种技术（通道，中断，缓冲等）提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力，充分利用资源，提高资源利用率 • 并行性 • 均衡性（使设备充分忙碌）

  16. 4.保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作4.保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作 5.保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的

  17. 6. 与设备无关性（设备独立性） 用户在编制程序时，使用逻辑设备名，由系统实现从逻辑设备到物理设备（实际设备）的转换 用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备

  18. 用户申请使用设备时，只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请进程用户申请使用设备时，只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请进程 统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式，在用户程序中使用的是逻辑设备

  19. 优点： • 设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程序 • 改善了系统的可适应性和可扩展性

  20. 四、实现I/O的技术及其发展 • 编程I/O方式 • 中断驱动I/O方式 • 直接存储访问(MDA) • 通道 (详见教材)

  21. I/O 控制方式 软件实现 软件加硬件实现 以内存为中心 以CPU 为中心 程序直接 控制方式 中断方式 DMA 方式 通道方式 外围处理 机 PPU方式 硬件控制设备与内存直接交换数据 CPU与通道并行操作用户远离I/O过程的实现 提高并行性一定程度上缓解快速CPU和慢速I/O的矛盾 通道—〉处理机功能更强,进一步减少CPU的负担及其对I/O的干预 CPU速度不高,CPU与 I/O 操作串行工作

  22. 10.2 I/O子系统的层次结构

  23. 各层的主要功能 • I/O子系统层()：为用户提供一个对所有设备都一致的接口。故又称独立于设备的软件。 • 设备驱动接口层：将上层的逻辑I/O的调用转换为对具体设备驱动程序的调用。 • 设备驱动程序层：具体负责与设备的所有交互操作。 • 通道、DMA控制器、设备控制器 • 设备 (详见教材)

  24. 10.3 I/O硬件组成 • 设备 • 设备控制器 • DMA控制器 • 通道

  25. 设备 一、 设备组成 I／O设备一般由机械和电子两部分组成， 把这两部分分开处理，以提供更加模块化，更加通用的设计。

  26. 1.物理设备 机械部分是设备本身（物理装置） 2.设备控制器 电子部分叫做设备控制器或适配器。 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中

  27. 控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。 控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合ANSI、IEEE或ISO这样的国际标准。

  28. 二、 设备接口 一次完整的I/O传送过程，典型地由一长列低级信号组成，这些信号启动设备所执行的操作，并通过测试设备状态来监控设备操作的进展

  29. 一个I/O过程由四步组成： 准备 启动 测试和等待 结果检查和错误处理 通过对设备接口寄存器组的读写完成

  30. 三、 设备连接模式 指I/O设备与CPU之间的连接方式，亦即将设备连接到一个计算机系统上的方式。在一个确定的连接模式下，从I/O设备到CPU间的所有连接成分构成了一条I/O路径（I/O链）。

  31. 改善： • 使CPU利用率尽可能不被I/O降低 使CPU尽可能摆脱I/O ⊹ 提高I/O本身的绝对速度 ⊹ 减少或缓解速度差距  ⊹ 使CPU不等待I/O 

  32. 提高设备利用率 • 在设备与主机的硬连接上，引入总线，节省连线并提供配置扩充与改变时的灵活性；引入控制器，扩大设备与主机间的相互适用范围 小结：控制器与设备的分离，循环测试到中断，对CPU编程式的I/O到DMA，联机I/O到假脱机

  33. 控制器（适配器） 电子部分：完成设备与主机间的连接和通讯。 CPU与控制器间通讯： 单总线模型（微机、小型机） 多总线模型（中、大型机）

  34. 每个控制器备有几个寄存器与CPU通讯 两种模式： 1、存储器映像I/O，寄存器是内存地址空间的一部分 2、专用I/O地址空间，每个控制器分配其中的一部分（IBM PC）

  35. 操作系统将命令写入控制器寄存器中，以实现输入／输出操作系统将命令写入控制器寄存器中，以实现输入／输出 例如：IBM PC的软盘控制器可接收15条命令，READ、WRITE、FORMAT、SEEK、RECALIBRATE，命令可以带参数。它们被一起送入控制器的寄存器中

  36. 当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以转去执行其它运算。命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统。CPU通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态当控制器接受一条命令后，可独立于CPU完成指定操作，CPU可以转去执行其它运算。命令完成时，控制器产生一个中断，CPU响应中断，控制转给操作系统。CPU通过读控制器寄存器中的信息，获得操作结果和设备状态

  37. 控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口。控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口。 例如磁盘，可以按每个磁道8扇区，每个扇区512个字节进行格式化。然而，实际从驱动器出来的却是一连串的位流，以一个头标（preamble）开始，然后是一个扇区的4096位（512×8），最后是检查和或错误校验码（Error—C一C：ECC）。头标是在对磁盘格式化时写上的，它包括柱面和扇区数，扇区的大小和类似的一些数据。

  38. 控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正。首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块。在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到主存中。控制器的任务是把串行的位流转换为字节块，并进行必要的错误修正。首先，控制器按位进行组装，然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节为单位的块。在对块验证检查和并证明无错误时，再将它复制到主存中。

  39. 设备完成技术 一次I/O 传送过程： 准备传送后处理 例：一个打印机有两个I/O设备寄存器： 状态寄存器 数据寄存器

  40. 设备的一次操作是否完成？ 测试设备的一个硬件信号 几种测试模式： （1）I/O测试指令 （2）中断技术

  41. 直接存储访问DMA 数据在内存与I/O设备间的直接成块传送 CPU在开始时向设备发“传送一块”命令，结束时进行相应处理，实际操作由DMA硬件直接完成

  42. DMA方式与中断的主要区别 • 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

  43. DMA工作示例 （以硬盘为例） CPU提供被读取块磁盘地址、目标存储地址、待读取字节数 整块数据读进缓冲区 核准校验 控制器按照指定存储器地址，把第一个字节送入主存， 然后，按指定字节数进行数据传送 每当传送一个字节后，字节计数器值减1，直到字节计数器等于0 此时，控制器引发中断，通知操作系统，操作完成

  44. DMA工作原理——窃取总线控制权 • 存放输入数据的内存起始地址、要传送的字节数 • 送入DMA控制器的内存地址寄存器和传送字节计数器 • 中断允许位和启动位置成1，启动设备 • 发出传输要求的进程进入等待状态 • 执行指令被暂时挂起，进程调度其他进程占据CPU • 输入设备不断窃取CPU工作周期，数据不断写入内存 • 传送完毕，发出中断信号 • CPU接到中断信号转入中断处理程序处理 • 中断处理结束，CPU返回原进程或切换到新的进程

  45. CPU向控制器发出启动DMA通知和有关参数 控制器向内存发出询问请求 访问内存（读、写） 计数器减1 N 结束否 DMA的实现流程 Y 发中断

  46. 通道（I/O处理机） 是可以执行程序的、负责且只负责操纵输入输出设备的、功能简单专用的、低速低性能的、造价低的专用处理机。负责管理设备与内存之间的数据传送的一切工作

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