【正文】 1 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 第七章 設(shè)備管理 ? 概述 ? I/O控制方式 ? 緩沖技術(shù) ? 其它技術(shù) ? 設(shè) 備 分 配 2 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 概述 ? 設(shè)備的分類 ? 設(shè)備管理的目標(biāo) ? 設(shè)備管理的功能 ? 設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備的分類 按傳輸速率分 ? 低速設(shè)備：每秒幾個到數(shù)百字節(jié) 。 如 Modem ? 中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié) 。 如打印機 ? 高速設(shè)備：每秒數(shù)百 K到數(shù)兆 。 如磁盤 、 磁帶 4 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 按信息交換的單位分類 ? 字符設(shè)備： I/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié) ， 如打印機 、modem等 。 特征：速率較低 、 中斷驅(qū)動 。 ? 塊設(shè)備 ： I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可隨機訪問任一塊、 DMA方式驅(qū)動。 5 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 3. 按資源管理方式分類 ? 獨占型設(shè)備：在任一段時間內(nèi)最多有一個進程占用它 ， 字符設(shè)備及磁帶機屬獨占型設(shè)備 。 即臨界資源 。 ? 共享型設(shè)備：多個進程對它的訪問可以交叉進行 ，除磁帶機外的塊設(shè)備屬共享設(shè)備 ? 虛擬設(shè)備： 在一類設(shè)備上模擬另一類設(shè)備 ， 常用共享設(shè)備模擬獨占設(shè)備 ， 用高速設(shè)備模擬低速設(shè)備 ，被模擬的設(shè)備稱為虛 擬 設(shè)備 6 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備管理的目標(biāo) 設(shè)備獨立性 所謂設(shè)備獨立性： 用戶在編制程序時 ， 使用邏輯設(shè)備名 ， 由系統(tǒng)實現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備 （ 實際設(shè)備 ） 的轉(zhuǎn)換 。 用戶能獨立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備 。 7 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 兩種類型的設(shè)備獨立性 ? 獨立于同一類設(shè)備中的某臺具體設(shè)備 。 如果一個系統(tǒng)中有若干臺相同的設(shè)備 ， 用戶編程時不指定使用哪一個具體的設(shè)備 ， 而僅說明要使用哪一類設(shè)備 ， 系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前這一類設(shè)備的具體狀況給用戶分配一臺具體的設(shè)備 。用戶不用關(guān)心他所使用的到底是哪一臺設(shè)備 。 8 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 ? 獨立于不同類型的設(shè)備 。 例如有一程序要求輸入信息 ， 可以從各種不同類型的輸入設(shè)備上給程序輸入數(shù)據(jù) ， 則稱該程序是獨立于不同類型的輸入設(shè)備的 。 又如在 MSDOS系統(tǒng)中 ， 程序的 I/O操作不必指出在哪臺設(shè)備上進行 ， 一般情況下是從鍵盤上輸入數(shù)據(jù) ， 而在顯示器上輸出數(shù)據(jù) 。 但用戶可以做一次聯(lián)機操作命令 Ctrl+P， 則輸出數(shù)據(jù)可以在打印機上打印出來 。 9 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 提高設(shè)備利用率 ? 提高設(shè)備的使用效率是操作系統(tǒng)設(shè)備管理的重要目標(biāo) 。 ? 為達到此目標(biāo)除了要合理分配和使用外部設(shè)備外 ，還應(yīng)努力提高設(shè)備同 CPU的并行程度 。 與此有關(guān)的技術(shù)有：通道技術(shù)和緩沖技術(shù) 。 10 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 187。 I/O系統(tǒng)概述 I/O特點 – CPU與 I/O的速度差別很大，導(dǎo)致如下情況 I/O的性能成為系統(tǒng)性能的瓶頸 操作系統(tǒng)變得龐大、復(fù)雜 I/O 設(shè)備種類繁多、物理特性差距甚 大 187。 187。 187。 數(shù)據(jù)傳輸率 數(shù)據(jù)表示方式 傳輸單位 出錯條件 – I/O技術(shù)實用 是學(xué)習(xí)和深入理解 OS的有效途徑 快 11 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備的統(tǒng)一管理 外設(shè)的種類繁多 ， 特性各異 ， 主要差別反映在以下幾個方面： ? 速度：不同的設(shè)備處理和傳遞信息的速度差別甚大 ，如鍵盤每秒鐘只能處理幾個或幾十個字符 ， 而磁盤的處理速度可達幾十 MB/S ? 傳遞單位：有的設(shè)備以字符為單位傳遞信息，如鍵盤。有的以字符塊為單位傳遞信息，如磁盤。 12 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 ? 操作方法和特性：各種設(shè)備都有自己的特性和操作方法 ， 如卡片機中的卡片不能倒退 ，磁帶機可反繞 ， 磁盤可隨機存取 。 ? 出錯條件：各種設(shè)備的出錯條件不同 ， 有的可能產(chǎn)生奇偶錯 ， 打印機可能產(chǎn)生無紙錯等 。 13 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備管理程序力圖隱蔽上述各種設(shè)備的差別 ，向用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備使用接口 ， 這會給系統(tǒng)的設(shè)計帶來困難 ， 但方便了用戶 。 如 UNIX系統(tǒng)把外設(shè)作為特別文件處理 ， 把設(shè)備看作文件 ， 用操作文件的方法來操作設(shè)備 ，這極大地方便了用戶 。 這種設(shè)備管理方法無疑是個重大的突破 。 14 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備管理的功能 監(jiān)視系統(tǒng)中所有設(shè)備的狀態(tài) 一個計算機系統(tǒng)中存在著許多設(shè)備 ， 在系統(tǒng)運行期間這些設(shè)備都在處理各自所承擔(dān)的工作 ， 并處于各種不同的狀態(tài) ， 系統(tǒng)要有效地管理和使用這些設(shè)備就必須監(jiān)視它們的工作狀態(tài) 。 系統(tǒng)為每個設(shè)備設(shè)置 設(shè)備控制塊 DCB結(jié)構(gòu) ， 在 DCB中登記了設(shè)備的狀態(tài)信息 ， 系統(tǒng)是經(jīng)過對 DCB的查詢來監(jiān)視設(shè)備的活動的 。 15 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備的分配 在多用戶或多進程的環(huán)境中 ， 每個用戶在完成各自的任務(wù)時總是要使用外設(shè) ， 為用戶或進程分配設(shè)備是設(shè)備管理的主要功能之一 。 設(shè)備分配包括：設(shè)備分配策略 、 分配的方式 、分配技術(shù)和選擇用戶的算法 。 16 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O控制 I/O控制是設(shè)備管理的另一功能，它包括 設(shè)備驅(qū)動和設(shè)備中斷處理 。 17 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O硬件組成原理 I/O系統(tǒng)層次 I/O硬件組成 – 控制器 +設(shè)備本身 – I/O設(shè)備（機械部分） – 設(shè)備控制器（電子部分） 18 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O硬件組成原理 設(shè)備控制器 – 插在電路板上的一塊芯片或一組芯片 – 主要功能 接收 OS的命令 （如，從設(shè)備讀 數(shù)據(jù)，并完成數(shù)據(jù)的處理） 實際 I/O設(shè)備本身 – 設(shè)備接口與設(shè)備控制器接口 實際設(shè)備接口隱藏在設(shè)備控制器中 OS看到的是控制器的接口 19 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O硬件組成原理 設(shè)備控制器 Device Controller、 adapter 設(shè)備與主機間的連接和通信 數(shù)模信號的轉(zhuǎn)換 命令的接收和識別 數(shù)據(jù)的交換 設(shè)備狀態(tài)的理解和報告 兩類接口（ CPU/設(shè)備） 20 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 設(shè)備管理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 設(shè)備控制塊 (DCB) DCB是設(shè)備管理的重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) ， 在這個結(jié)構(gòu)中較全面地反映了每臺設(shè)備的特性 、 連接和使用的狀態(tài)等信息 。 當(dāng)一臺設(shè)備進入系統(tǒng)時必須創(chuàng)立相應(yīng)的 DCB 21 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 DCB的內(nèi)容 ? 設(shè)備標(biāo)識符： 系統(tǒng)有許多設(shè)備 ， 為區(qū)別起見為每臺設(shè)備取個名 ， 這個名叫設(shè)備標(biāo)識符 。 ? 設(shè)備屬性： 反映設(shè)備的相應(yīng)特性和類型 ? 設(shè)備 I/O總線地址： 設(shè)備和 CPU是通過 I/O總線連接起來的 ， 它在總線上有個地址 。 ? 設(shè)備狀態(tài)： 指設(shè)備當(dāng)時所處的狀態(tài) 。 ? 等待隊列指針： 等待使用該設(shè)備的進程組成等待隊列，這里存放等待隊列的隊首指針。 22 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 圖示 23 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O控制方式 ? 循環(huán)測試 I/O方式 ? I/O中斷方式 ? DMA方式 ? 通道方式 24 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O方式 早期 ， I/O控制器 是 OS同硬件之間的接口 。 它有兩個寄存器： 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 、 控制寄存器 ?？刂萍拇嫫饔袔讉€重要的信息位： 啟動位 、完成位 、 忙位 。 CPU 外 部 設(shè) 備 控 制 邏 輯 電 路 控制寄存器 I/O控制器 數(shù)據(jù)寄存器 25 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 工作過程 以輸入為例 把啟動位置 1 反復(fù)測試完成位 ， 為 0轉(zhuǎn) 2， 為 1轉(zhuǎn) 3 把數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中讀走 。 浪費大量 CPU時間 26 2022/2/17 第七章 設(shè)備管理 I/O中斷方式 I/O控制器能發(fā)中斷 。 工作過程： 把啟動位置 1， 本進程 （ A） 變?yōu)榈却隣顟B(tài) ， 轉(zhuǎn)進程調(diào)度 ， 調(diào)度另一進程 B。 輸入完成時 ， 控制器發(fā)出中斷 ， 中斷 B， 通過中斷進入中斷處理程序 。