【正文】 2022/8/21 Device managent 1 袁 俊 設備管理 2022/8/21 Device managent 2 第一節(jié) 設備管理的功能 一、設備管理的要求 設備管理是 OS的重要組成部分，它必須滿足： 方便性 為用戶提供統(tǒng)一的、方便的設備使用界面，將復雜的具體設備操作過程隱藏起來； 并行性 解決 CPU 與外部設備的并行、外部設備之間的并行性問題，提高外部設備的利用率 和系統(tǒng)效率。這依耐中斷技術、通道和 DMA技術； 獨立性 用戶程序應獨立于設備 即用戶程序與設備無關。當物理設備發(fā)生變化或更動時，用戶程序不必修改即可分配其它設備。 二、設備管理的功能 為了達到以上目的，設備管理必須具備如下功能； 外部設備的分配和回收 2022/8/21 Device managent 3 第一節(jié) 設備管理的功能 （續(xù) 1） 設備和資源的分配是重要的內(nèi)容之一是 I / O 設備。由于系統(tǒng)要為每個要求運行的進程配置各種 I / O 設備和部件，包括使用通道、 I / O 地址、 I / O 端口、存儲器地址、中斷請求以及 DMA通道等。系統(tǒng)迸發(fā)的多進程、多線程工作要求對各種資源實現(xiàn)共享，它們的共享在硬件、軟件上都會引發(fā)沖突，必須由 OS對 I / O 設備進行統(tǒng)一的管理、正確的分配和回收。 設備映射 為了保證用戶程序與設備的無關性：即用戶程序引用的、實現(xiàn) I/O操作的設備與系統(tǒng)安裝的物理設備沒有固定的聯(lián)系。 為了實現(xiàn)用戶程序與設備的無關性，引入邏輯設備和物理設備概念： 邏輯設備：用戶程序引用、實現(xiàn) I/O操作的設備 物理設備：計算機系統(tǒng)中實際安裝的設備 前者是物理設備的抽象，后者是邏輯設備的具體實例 在用戶程序中使用的設備名是邏輯設備名稱，現(xiàn)代 OS有兩種邏輯設備命名方法： 與文件系統(tǒng)相同的方法 與文件系統(tǒng)不同的獨立方法 設備管理模塊要實現(xiàn)應用程序執(zhí)行 I/O操作時，從需要的邏輯設備引用轉(zhuǎn)換為某個物理設備的引用。 2022/8/21 Device managent 4 第一節(jié) 設備管理的功能 （ 外部設備驅(qū)動 外部設備驅(qū)動指對外部設備實施操作控制。設備驅(qū)動的任務是： 接受上層軟件的啟動、初始化 執(zhí)行規(guī)定的讀 /寫操作 反映執(zhí)行過程的設備狀態(tài) 由于設備的復雜性、獨特性，每一類乃自每一種設備都有自己的驅(qū)動程序，這通常由設備生產(chǎn)廠商編寫， OS僅提供統(tǒng)一的設備接口。 不同的 OS設計的設備驅(qū)動接口不同，因而設備生產(chǎn)廠商根據(jù)不同的 OS編寫不同的設備驅(qū)動程序。 磁盤的驅(qū)動調(diào)度 處理外部設備的中斷事件 實現(xiàn)虛擬設備并實施管理和分配 2022/8/21 Device managent 5 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 主機 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：通道結(jié)構(gòu) CPU I/O控制器 DMA I/O控制器 …… 存儲器 一、 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 微機 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：總線結(jié)構(gòu) I/O設備 I/O設備 I/O設備 主機 主 機 CPU 內(nèi)存 I/O通道 I/O通道 I/O控制器 I/O控制器 I/O控制器 I/O控制器 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 …… 系統(tǒng)總線 2022/8/21 Device managent 6 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 通道：控制外部設備的專用處理器。有簡單的運算指令和獨立的外部設備控制指令 — 可以編寫獨立的通道程序，以控制外部設備運行。 二、 I/O設備 I/O系統(tǒng)的類型 按傳輸速率分類 ： 低、中 、高速設備。 低速設備 :幾個 ~幾百字符 /秒速度，如鍵盤、鼠標、語音輸入、輸出設備。 中速設備：幾 KB—幾十 KB/秒速度，如行式打印機、激光打印機。 高速設備：幾百 KB—幾 MB/秒速度，如磁帶、磁盤機、光盤機。 按信息交換的單位分 塊設備（ Block Device）：屬于有結(jié)構(gòu)設備，典型的是磁盤，每個盤塊尺寸是 512B—8KB,特征： 傳輸速率高，幾 MB/秒， 可尋址，即可隨機讀寫任一塊， 磁盤設備的 I / O 采用 DMA 方式。 字符設備 以字符為單位傳輸，屬無結(jié)構(gòu)設備，如交互式終端、打印機等。基本特征： 2022/8/21 Device managent 7 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （續(xù) 1） 傳輸速率低， 不可尋址， 采用中斷 I / O 方式。 按設備的共享屬性分類 獨占設備 只允許一個進程使用的設備（臨界資源） 共享設備 在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設備（對每一時刻僅一個進程允許使用）。共享設備必須是可尋址的、可隨機訪問的，如磁盤。 虛擬設備 通過虛擬技術將一臺獨占設備變換為多臺邏輯設備，供若干進程同時使用，這種經(jīng)過虛擬技術處理后的設備稱虛擬設備。 三、設備與控制器間的接口 通常，設備并不與 CPU直接通信，而是與設備控制器通信。設備控制器處于 CPU與設備之間，具有與設備通信的能力、執(zhí)行 CPU指令的能力。大多數(shù)設備控制器由三部分組成： 設備控制器與 CPU的接口：用于設備與 CPU通信，該接口有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線、控制線。 2022/8/21 Device managent 8 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) （續(xù) 2） 每個控制器通常有多個寄存器與 CPU通信，可分兩類： 數(shù)據(jù)寄存器 狀態(tài) /控制寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 控制 /狀態(tài) 寄存器 I/O邏輯 控制器與設備 的接口 1 控制器與設備 的接口 的接口 n 數(shù)據(jù)線 地址線 控制線 控制器與設備接口 CPU與控制器接口 數(shù)據(jù) …… 2022/8/21 Device managent 9 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在 68030等計算機中，這些寄存器是常規(guī)存儲內(nèi)存地址空間的一部分， IBM PC機則使用專用 I/O地址空間，每個控制器分配其中一部分，并配置一個中斷向量，與控制器相關的總線譯碼邏輯把 I/O地址分配給設備。 OS將命令寫入控制器的控制 /狀態(tài)寄存器，以實現(xiàn) I/O操作。例如IBM PC機軟件控制器接受有 READ、 WRITE、 SEEK、 FORMAT等15命令，它們隨參數(shù)寫入控制 /狀態(tài)寄存器?？刂破鹘邮芤粭l指令后，獨立于 CPU完成操作，完成后產(chǎn)生中斷。 當 CPU需要與設備進行數(shù)據(jù)交換時，數(shù)據(jù)寄存器暫存數(shù)據(jù)。對輸入，是由設備傳送給設備控制器，對輸出是由控制器傳給設備。 設備控制器與設備的接口 設備控制器與設備的接口有多個，每個設備一個接口。這是低層接口。有數(shù)據(jù)、地址、控制三種信號?？刂破鞯?I/O邏輯根據(jù) CPU傳來的地址信號選擇一個設備接口。 2022/8/21 Device managent 10 第二節(jié) I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) I/O邏輯 用于實現(xiàn)對設備的控制。它通過一組控制線與 CPU交互。 I/O邏輯對收到的命令譯碼。 每當 CPU啟動一個設備時， 通過地址總線把地址發(fā)給控制器 將啟動命令發(fā)送給控制器 由控制器 I/O邏輯對收到的地址譯瑪，再根據(jù)譯出的命令對所選設備進行控制 設備控制器的任務 接收和識別命令： 通過控制寄存器實現(xiàn)接收各種命令和參數(shù)，并進行譯碼 數(shù)據(jù)交換： 通過數(shù)據(jù)寄存器實現(xiàn)數(shù)據(jù)對 CPU的讀入、寫出 反映設備狀態(tài)： 狀態(tài)寄存器的每一位反映設備當前一種狀態(tài)，供 CPU識別、判斷 地址識別：每個設備都有一個地址，設備控制器必須識別它控制的每個設備的地址，為了使 CPU能讀出控制器的寄存器保存的數(shù)據(jù)，這些寄存器也必須有唯一地址。 2022/8/21 Device managent 11 第三節(jié) OS與中斷處理 中斷是 OS參與設備管理的重要因素和結(jié)構(gòu)，它是 OS中與硬件最接近的部分，是 OS與硬件的界面。通過軟件與硬件的結(jié)合形成完整的中斷結(jié)構(gòu)而實施中斷處理。 一、中斷的基本概念 正在運行的過程被另一過程打斷停止運行轉(zhuǎn)而執(zhí)行另一過程的活動稱為 中斷 。中斷處理完成后繼續(xù)原來的工作。 引起中斷發(fā)生的事件是 中斷源 。中斷源向 CPU 發(fā)出的請求中斷處理信號稱 中斷請求 ， CPU收到中斷請求后轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應的事件處理程序稱 中斷響應。 有時，盡管中斷源發(fā)出了中斷請求，但 CPU的 PSW的中斷允許位被清除，從而不允許 CPU響應中斷，稱 中斷禁止 (關中斷 )。 中斷禁止后只要等到中斷允許位被重置后 (開中斷 )才能接收中斷。 中斷請求、關中斷和開中斷都是由硬件實現(xiàn)的。 2022/8/21 Device managent 12 第三節(jié) OS與中斷處理 中斷屏蔽： 指中斷請求產(chǎn)生后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷，而其它中斷仍能得到響應。 有的中斷可屏蔽，但：電源掉電、硬件故障是不能屏蔽的。 計算機系統(tǒng)的中斷既來自系統(tǒng)外部也來自系統(tǒng)內(nèi)部。 內(nèi)部中斷 是計算機系統(tǒng)在工作過程中出現(xiàn)的各種需要緊急處理的事務： 如程序運行引起的各種錯誤： – 如地址非法、校驗錯、頁面失效、訪問控制出錯、溢出、數(shù)據(jù)格式非法、除數(shù)為 0、非法指令 用戶程序執(zhí)行特權指令 分時系統(tǒng)中的時間片中斷以及從用戶態(tài)到核心態(tài)的切換等 內(nèi)部中斷多采用程序陷入（ trap）方式，常稱為陷入或異常。 2022/8/21 Device managent 13 第三節(jié) OS與中斷處理 外部中斷 主要來自 (CPU和內(nèi)存以外 ) I / O 設備的中斷，如： 設備請求中斷、打印中斷、掉電中斷、數(shù)據(jù)傳輸中斷、 外部信號中斷 (如用戶鍵入 ESC)、 時鐘中斷 調(diào)式時設置的斷點中斷等 外部中斷多為硬件中斷，常常稱為中斷。 上述的中斷或陷入都可看作 硬件中斷 ，因為它們都要通過硬件產(chǎn)生的中斷請求； 程序中斷等稱 軟中斷 ，它是通信進程之間用來模擬硬中斷的一種信號通信方式。 2022/8/21 Device managent 14 第三節(jié) OS與中斷處理 中斷的優(yōu)先級 按中斷源的輕重緩急響應中斷， OS對不同的中斷賦予不同的優(yōu)先級。例如 UNIX系統(tǒng)外中斷和陷入共分 8級。Windows2022的優(yōu)先級分 32級，如圖： 所有線程都運行在中斷優(yōu)先級 0和 1 上。 用戶線程在中斷級 0； 核心態(tài)線程運行在中斷優(yōu)先級 1。因此核心態(tài)線程優(yōu)于用戶態(tài)線程執(zhí)行。 運行在中斷 1級的線程稱為異步過程調(diào)用 (Asynchronous Procedure Call,APC) 所有硬件中斷的中斷優(yōu)先級都高于軟件中斷 高優(yōu)先級 電源故障 CPU內(nèi)部中斷 時鐘中斷 配置文件 設備 n …… …… 設備 1 DPC/dispatch APC 低優(yōu)先級 31 30 29 28 27 26 3 2 1 0 硬件中斷 線程優(yōu)先級 0~31 軟件中斷