【正文】 1 第 5章 設(shè)備管理 設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件關(guān)系最密切的部分。通過本章學(xué)習(xí)，讀者應(yīng)該掌握以下內(nèi)容：n 數(shù)據(jù)傳輸方式n 中斷技術(shù)n 緩沖技術(shù)n 設(shè)備分配技術(shù)n 設(shè)備獨(dú)立性n 設(shè)備驅(qū)動1/28/20232n . I/O系統(tǒng) n . I/O控制方式 n . 緩沖管理 n . I/O軟件 n . 設(shè)備分配 n . 磁盤存儲器的管理1/28/20233設(shè)備管理的目標(biāo)n 根據(jù)設(shè)備請求的情況，按照一定的算法，選擇和分配輸入輸出設(shè)備以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作；n 控制輸入輸入設(shè)備和 CPU或內(nèi)存之間交換數(shù)據(jù)，同時提高設(shè)備和設(shè)備之間、 CPU和設(shè)備之間，以及進(jìn)程和進(jìn)程之間的并行操作度，以使操作系統(tǒng)獲得最佳效率；n 為用戶提供一個友好的透明接口，把用戶和設(shè)備硬件特性分開，使得用戶在編制應(yīng)用程序時不必涉及具體設(shè)備，系統(tǒng)按用戶要求控制設(shè)備工作。1/28/20234設(shè)備管理功能n 設(shè)備分配與回收n 緩沖管理n 設(shè)備處理n 虛擬設(shè)備1/28/202355． 1． 1 I/O設(shè)備 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外圍設(shè)備包括：顯示器、鍵盤、紙帶閱讀器、紙帶穿孔機(jī)、打印機(jī)、磁帶、磁盤、光盤、激光打印機(jī)、繪圖儀、圖形數(shù)字化儀、鼠標(biāo)器、聲音輸入、聲音輸出設(shè)備以及辦公自動化設(shè)備等等，種類相當(dāng)繁多，可從不同的角度對它們進(jìn)行分類。 I/O系統(tǒng)1/28/20236n 系統(tǒng)設(shè)備： 在操作系統(tǒng)生成時已配置好的的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。 如：鍵盤、顯示器、打印機(jī)、磁盤等。n 用戶設(shè)備： 指系統(tǒng)設(shè)備之外的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，一般由用戶提供設(shè)備及其處理程序，并通過適當(dāng)?shù)氖侄伟阉鼈兗{入系統(tǒng)中， 由系統(tǒng)實(shí)施管理。 如：網(wǎng)卡、調(diào)制解調(diào)器、繪圖儀等。 1．設(shè)備的從屬關(guān)系分類1/28/20237n 塊設(shè)備： 指以數(shù)據(jù)塊為單位存儲和傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備 如磁盤、磁帶等。n 字符設(shè)備： 指以單個字符為單位來傳送信息的設(shè)備。 如鍵盤、顯示器、打印機(jī)等。2．設(shè)備中的信息交換單位方式分類1/28/20238n 存儲設(shè)備： 它是計(jì)算機(jī)用來存儲永久性信息的設(shè)備 如，磁帶、磁盤（軟盤、硬盤）、光盤等。n 輸入設(shè)備： 將外部信息送給計(jì)算機(jī)的設(shè)備。 如，鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、手寫筆、數(shù)碼相機(jī)、麥克風(fēng)、游戲手柄等n 輸出設(shè)備： 將計(jì)算機(jī)加工后的信息傳送給外界的設(shè)備。 如，顯示器、打印機(jī)、投影儀等。3．按設(shè)備的使用特性分類1/28/20239n 獨(dú)占設(shè)備 :這類設(shè)備在用戶作業(yè)的整個運(yùn)行期間必須為此用戶所占有，即多個作業(yè)對某一外設(shè)的訪問應(yīng)該是互斥的，一旦系統(tǒng)將這類設(shè)備分配給某個作業(yè)，便由該設(shè)備獨(dú)占，直至釋放該資源。 大多數(shù)低速 I/O設(shè)備，如用戶終端、打印機(jī)等n 共享設(shè)備 :指在同一時間段內(nèi)可以同時讓幾個作業(yè)使用的設(shè)備，當(dāng)然，在某一時刻，該設(shè)備只能為一個作業(yè)服務(wù)。 適應(yīng)于高速設(shè)備，如磁盤n 虛擬設(shè)備 :根據(jù)設(shè)備的使用性質(zhì)來決定一臺設(shè)備可以分給幾個進(jìn)程以提高該設(shè)備的使用率。 如虛擬打印機(jī)4．按資源分配的角度分類1/28/202310n 按（ ）分類可將設(shè)備分為塊設(shè)備和字符設(shè)備。 大多數(shù)低速設(shè)備都屬于（ ） 設(shè)備。 A．獨(dú)占 B．共享 C．虛擬 D． Spoolingn 從資源分配的角度看，可以把設(shè)備分為獨(dú)占設(shè)備、共享設(shè)備和 虛擬設(shè)備 ，打印機(jī)屬于 ________ 設(shè)備 ,而磁盤屬于 __________設(shè)備。1/28/202311 設(shè)備控制器 　 設(shè)備控制器是 CPU與外圍設(shè)備之間的接口，是一個可編址設(shè)備，每一個地址對應(yīng)一個設(shè)備。 它接收從 CPU發(fā)來的命令，并去控制輸入輸出設(shè)備的工作，使 CPU從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來，提高 CPU的使用效率。1/28/202312： 接收從 CPU發(fā)來的命令，控制 I/O設(shè)備工作：n接收和識別命令n數(shù)據(jù)交換n地址識別n標(biāo)識和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)n差錯控制1/28/202313n （ 1） .設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口n （ 2） .設(shè)備控制器與設(shè)備的接口n （ 3） .I/O邏輯1/28/202314I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)CPU磁盤控制器存儲器打印機(jī)控制器其他控制器一、微型機(jī) I/O系統(tǒng) ：總線結(jié)構(gòu)磁盤驅(qū)動器 打印機(jī) 1/28/202315二、主機(jī)系統(tǒng)輸入輸出結(jié)構(gòu)當(dāng)主機(jī)所配置的輸入輸出設(shè)備較多時，特別是配有較多的高速外設(shè)時，采用總線型輸入輸出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會加重 CPU與總線的負(fù)擔(dān)。 因此，在這樣的輸入輸出系統(tǒng)中不宜采用單總線結(jié)構(gòu)，而是增加一級輸入輸出通道，用來代替 CPU與各設(shè)備控制器進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對控制器的控制。1/28/202316 1/28/202317 I/O通道通道的引入 為了提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，就要使 CPU擺脫繁忙的I/O事務(wù)，而配置專門處理 I/O事務(wù)的機(jī)構(gòu) —— 通道。 通道的引入是為了建立獨(dú)立的 I/O操作。它不僅要求數(shù)據(jù)傳送獨(dú)立于 CPU，而且要求 I/O操作的組織、管理、結(jié)束等也盡量獨(dú)立，以保證 CPU有更多的時間從事計(jì)算。這樣就可以實(shí)現(xiàn) CPU計(jì)算和 I/O操作的并行工作。1/28/202318思考題一n n 什么是通道？ 通道有哪些類型？1/28/202319 I/O通道概念 通道是一種硬件機(jī)構(gòu)，又稱 I/O處理機(jī)。輸入輸出通道是指專門負(fù)責(zé)輸入輸出工作的處理器。 它有自己的指令系統(tǒng)（包含數(shù)據(jù)傳送指令和設(shè)備控制指令），獨(dú)立執(zhí)行自己的通道程序來實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而使系統(tǒng)獲得 CPU與外設(shè)并行處理的能力。1/28/202320n 通道的類型 根據(jù)信息交換方式的不同，可把通道分成字節(jié)多路通道、數(shù)組多路通道和選擇通道三種。（ 1）字節(jié)多路通道 通常都含有許多非分配型子通道，其數(shù)量可以從幾十到數(shù)百個，每一個子通道連接一臺輸入輸出設(shè)備，這些子通道按時間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。 字節(jié)多路通道連接低速或中速設(shè)備時，不會丟失信息。1/28/202321n 選擇通道的數(shù)據(jù)傳送是按成批的方式進(jìn)行的，故傳送速率很高。（ 2）數(shù)據(jù)選擇通道選擇通道n 它適用于連接高速 I/O設(shè)備，如磁帶、磁盤等。選擇通道只有一個分配型子通道，即這個子通道可以連接多臺設(shè)備，但每次只能把子通道分配給一臺設(shè)備使用。一旦分配給某臺設(shè)備，子通道就被它獨(dú)占，即使暫時出現(xiàn)空閑，也不允許其他設(shè)備利用該子通道。直到它被釋放，再選擇另一臺設(shè)備為其服務(wù)。因此選擇通道的利用率是很低的。1/28/202322n 這種通道綜合了字節(jié)多路通道分時并行工作和選擇通道傳輸速率高的特點(diǎn)。n 它具有多個非分配型子通道，每個子通道連接一臺中、高速 I/O設(shè)備，如：磁帶、磁鼓、磁盤等，因而通道所連接的幾個設(shè)備可以并行工作。 n 數(shù)組多路通道技術(shù)相當(dāng)于通道程序的多道程序設(shè)計(jì)技術(shù)。（ 3）數(shù)組多路通道1/28/202323 CPU字節(jié)多路通道 打印機(jī) 1 打印機(jī) 2 I/O控制器 I/O控制器 內(nèi)存 選擇通道 成組多路通道 磁盤 I/O控制器 磁盤 I/O控制器 I/O控 制器 I/O 控制器 磁帶 磁帶 存在這三種通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各硬件的連接關(guān)系如圖所示：1/28/202324思考題二 設(shè)備管理中，什么是 “瓶頸 ”現(xiàn)象？ 如何解決？1/28/202325n 通道命令和通道程序 通道有自己的指令系統(tǒng)，為了與 CPU的指令相區(qū)別，通道的指令被稱為 “通道命令字 ”。通道命令字條數(shù)不多，主要涉及控制、轉(zhuǎn)移、讀、寫及查詢等功能。0 7 8 31 32 47 48 63 每條通道命令由四個字段組成： ?　 (1) 操作碼 (0～ 7)： 表示通道要執(zhí)行的命令； ?　 (2) 數(shù)據(jù)主存始址： 表示本命令要訪問的主存數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址； ?　 (3) 特征位 (32～ 47， 只使用了 32～ 36 位， 其余未用 )： 37～ 39 位必須置 0，否則認(rèn)為通道命令錯。 1/28/202326n 通道程序存放在內(nèi)存中，由 I/O指令啟動執(zhí)行。用戶請求 I/O時， CPU對通道的通信是向通道發(fā)出查詢、啟動和停止通道程序工作，而通道向 CPU的通信則采用中斷方式。其執(zhí)行過程如圖所示。1/28/202327用戶 I/O請求 查詢設(shè)備忙閑？ 調(diào)用通道程序 執(zhí)行通道程序 I/O操作完成，發(fā)中斷請求 CPU響應(yīng)中斷，進(jìn)行結(jié)束處理 以 I/O指令啟動通道 結(jié)束通道工作 進(jìn)入設(shè)備請求隊(duì)列，等待 忙 不忙 通道程序的執(zhí)行過程 1/28/202328n 通道工作過程 （ 1） 當(dāng)進(jìn)程有 I/O請求時，系統(tǒng)首先查詢設(shè)備狀態(tài)。若忙，進(jìn)程進(jìn)入設(shè)備請求隊(duì)列等待；若閑，CPU發(fā)指令指明 I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道。 （ 2） 對應(yīng)通道收到 CPU發(fā)來的啟動指令后，讀出內(nèi)存中的通道指令程序、設(shè)置對應(yīng)設(shè)備的控制狀態(tài)寄存器的初值。 （ 3） 設(shè)備按通道指令的求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存指定區(qū)域。 （ 4） 若傳送結(jié)束， I/O控制器通過中斷請求線發(fā)中斷信號請求 CPU做中斷處理。 （ 5） 中斷處理結(jié)束后， CPU返回到被中斷進(jìn)程處繼續(xù)執(zhí)行。 （ 6） 當(dāng)進(jìn)程調(diào)度程序選中這個已得到數(shù)據(jù)的進(jìn)程后，才能進(jìn)行加工處理。1/28/202329思考題三 n 通道的作用是什么？ 通道是一個獨(dú)立于 CPU的專管輸入 /輸出控制的處理器，它控制內(nèi)存與外部設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。 它有自己的通道指令，這些通道指令受 CPU啟動，并在操作結(jié)束時向 CPU發(fā)中斷信號。 通道方式進(jìn)一步減輕了 CPU的工作負(fù)擔(dān)，增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。 1/28/202330 總線系統(tǒng)n 總線基本概念 在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)各種子系統(tǒng)，如 CPU、內(nèi)存、I/O設(shè)備等之間，構(gòu)建公用的信號或數(shù)據(jù)傳輸通道 這種可共享的傳輸通道稱為總線。1/28/202331n 總線的分類1/28/202332n 當(dāng)用戶進(jìn)程通過系統(tǒng)調(diào)用提出 I/O請求時，從系統(tǒng)響應(yīng)此請求開始，至系統(tǒng)完成用戶要求的I/O操作，并喚醒相應(yīng)的等待 I/O完成的進(jìn)程為止，這整個過程稱為 I/O控制過程。5． 2 I/O控制方式1/28/202333n I/O控制過程包括以下步驟：n （ 1）響應(yīng) I/O請求，為在具體物理設(shè)備上進(jìn)行 I/O操作做準(zhǔn)備。包括將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名（設(shè)備分配）、 I/O請求的合法性等。n （ 2）設(shè)備驅(qū)動，控制設(shè)備完成 I/O操作，對每類設(shè)備分別設(shè)置不同的設(shè)備驅(qū)動程序。n （ 3）中斷處理， I/O操作完成之后，設(shè)備控制器向CPU發(fā)送中斷信號， CPU響應(yīng)后轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行善后處理。1/28/202334n I/O操作的控制方式一般有四種：u查詢方式u中斷方式u直接內(nèi)存存取方式u通道方式 它們的主要差別在于處理器和外設(shè)并行工作的方式和程度的不同。1/28/202335n 查詢方式是最簡單的 I/O控制方式。n 在設(shè)備控制器中有兩個寄存器，一個是 狀態(tài)寄存器，由其中的一個狀態(tài)位的值反映設(shè)備的忙或閑；另一個是 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 。n 當(dāng)設(shè)備啟動時，狀態(tài)寄存器的啟動位為 1，此時外設(shè)把數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)緩沖寄存器，并將狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位置 1。n CPU執(zhí)行完一條指令后就測試狀態(tài)位，如果為 1，就把數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)取到內(nèi)存；若狀態(tài)位為 0，則再測試，直到狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位為 1，然后再讀取數(shù)據(jù)。所以此種方式也 稱 循環(huán)測試 I/O方式5． 2．