【正文】 第四章 設(shè)備管理 1 本章要點(diǎn) ? 設(shè)備管理的主要功能、模型 ? I/O子系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu) ? 設(shè)備的控制、 I/O控制 ? 設(shè)備的類型 ? 設(shè)備分配 ? I/O緩沖技術(shù) ? 虛擬設(shè)備與 SPOOLing系統(tǒng) ? 磁盤設(shè)備的管理 2 設(shè)備管理概述 3 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理 4 設(shè)備分配 ? 多道程序系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶直接使用 ，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和控制 。 ? 設(shè)備分配功能是設(shè)備管理的基本任務(wù) 。 ? 設(shè)備分配程序 按照一定的策略 ， 為申請(qǐng)?jiān)O(shè)備的用戶進(jìn)程分配設(shè)備 ， 記錄設(shè)備的使用情況 5 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理 6 設(shè)備映射 ? 為了提高應(yīng)用軟件對(duì)運(yùn)行平臺(tái)的適應(yīng)能力 ，方便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件 I/O重定向 ， 大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均支持應(yīng)用軟件對(duì)設(shè)備的無關(guān)性 ，即通常所說的 設(shè)備無關(guān)性 ， 或者 設(shè)備獨(dú)立性 。 — 設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用軟件所引用的 、 用于實(shí)現(xiàn) I/O操作的設(shè)備與物理 I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備沒有固定的聯(lián)系 。 7 設(shè)備映射 ? 邏輯設(shè)備和物理設(shè)備 — 邏輯設(shè)備是指 ， 應(yīng)用軟件所引用的用于實(shí)現(xiàn) I/O操作的設(shè)備 。 — 物理設(shè)備則指 ， 物理 I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備 。 ? 從應(yīng)用軟件的角度看 ， 邏輯設(shè)備是一類物理設(shè)備的抽象 。 從操作系統(tǒng)設(shè)備管理程序的角度看 ， 物理設(shè)備則是某種邏輯設(shè)備的實(shí)例 。 8 設(shè)備映射 ? 如果某系統(tǒng)支持設(shè)備無關(guān)性 ， 那么該系統(tǒng)中應(yīng)用軟件所引用的邏輯設(shè)備與實(shí)際安裝的物理設(shè)備沒有固定的聯(lián)系 。 ? 事實(shí)上 ， 在應(yīng)用軟件運(yùn)行期間 ， 操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序必須將該應(yīng)用軟件 對(duì)邏輯設(shè)備的引用轉(zhuǎn)換成對(duì)相關(guān)物理設(shè)備的引用 。 ? 設(shè)備管理的這種功能稱為邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射功能 ， 簡(jiǎn)稱 設(shè)備映射功能 。 9 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理 10 設(shè)備驅(qū)動(dòng) ? 又稱設(shè)備處理 ， 指對(duì)物理設(shè)備進(jìn)行控制 ， 以實(shí)現(xiàn)真正的 I/O操作 。 ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要任務(wù)是：接收上層軟件發(fā)來的抽象服務(wù)請(qǐng)求 ， 例如讀 /寫命令 ， 再把它轉(zhuǎn)換為具體要求 ， 通過一系列的 I/O指令 ， 控制設(shè)備完成請(qǐng)求的操作；同時(shí) ， 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還將設(shè)備發(fā)來的有關(guān)信號(hào)傳送給上層軟件 ， 例如設(shè)備是否已損壞等 。 11 設(shè)備驅(qū)動(dòng) ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與硬件密切相關(guān)，應(yīng)為每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動(dòng)程序。 ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般由設(shè)備開發(fā)廠商根據(jù)操作系統(tǒng)的要求組織編寫，操作系統(tǒng)僅對(duì)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口提出要求，一般不負(fù)責(zé)具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫。 ? 有時(shí)候，某些硬件無法在某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門的或通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，或者設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)有問題，使得設(shè)備無法正常工作。 12 設(shè)備管理的主要功能 設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理 13 I/O緩沖區(qū)的管理 ? 為了緩和處理機(jī)與外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾 ，提高處理機(jī)和外部設(shè)備間的并行性 ， 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設(shè)備管理部分引入了 緩沖技術(shù) 。 ? 通常，緩沖區(qū)是指 內(nèi)存 中的若干區(qū)域，用于緩存進(jìn)程與外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。又稱為 I/O緩沖區(qū)。 ? I/O緩沖區(qū)管理的任務(wù)是：組織 I/O緩沖區(qū)，并為使用者提供獲得和釋放 I/O緩沖區(qū)的手段。 14 通用設(shè)備管理分層模型 ? 將設(shè)備管理功能模塊分為設(shè)備 硬件無關(guān) 以及設(shè)備 硬件相關(guān) 兩個(gè)層次 。 ? 設(shè)備硬件無關(guān)層主要實(shí)現(xiàn)： I/O緩沖區(qū)管理以及設(shè)備映射功能 。 該層與設(shè)備用法有關(guān) ，與設(shè)備硬件無關(guān) 。 ? 一般地 ， 根據(jù)設(shè)備的用法 ， 該層也可視作虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng) 、 文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的一部分 。 15 通用設(shè)備管理分層模型 ? 設(shè)備硬件相關(guān)層將設(shè)備硬件無關(guān)層與設(shè)備硬件隔離開來 。 ? 從設(shè)備硬件無關(guān)層的角度看 ， 設(shè)備硬件相關(guān)層為其提供了一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)潔的 I/O功能接口；該接口屏蔽了設(shè)備硬件復(fù)雜的操作細(xì)節(jié) 。 ? 從設(shè)備硬件相關(guān)層的內(nèi)部看 ， 該層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能 。 毫無疑問 ， 該層與設(shè)備硬件密切相關(guān) 。 16 通用設(shè)備管理分層模型 用戶進(jìn)程 設(shè)備硬件無關(guān)層 設(shè)備硬件相關(guān)層 設(shè)備硬件 17 支持中斷的設(shè)備管理模型 用戶進(jìn)程 設(shè)備硬件 內(nèi)核中斷管理模塊 I/O請(qǐng)求 IOCS 資源等待隊(duì)列I/O等待隊(duì)列 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 啟動(dòng)過程 |繼續(xù)過程 設(shè)備中斷 18 計(jì)算機(jī) I/O子系統(tǒng)的組成 19 總線型 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 處理機(jī) I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 系統(tǒng)總線 內(nèi)存 20 通道型 I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 處理機(jī) I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O通道 I/O通道 系統(tǒng)總線 內(nèi)存 I/O通道 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 21 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ? 傳統(tǒng)的設(shè)備 = 機(jī)械部分 + 電子部分 ? 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn) ， 完成I/O操作 。 ? 由于設(shè)備中電子部分比機(jī)械部分的速度快得多 。 為了降低硬件成本 ， 將 電子部分 從設(shè)備中分離出來作為一個(gè)獨(dú)立的部件 ， 這就是 控制器 。 ? 分離之后的設(shè)備僅由機(jī)械部分構(gòu)成 ， 一個(gè)控制器可與多個(gè)設(shè)備相連 ， 交替地或分時(shí)地控制與其相連的設(shè)備 。 例如 ， 磁盤控制器可以控制多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器 。 22 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 處理機(jī) 控制器 I/O設(shè)備 I/O通道 系統(tǒng)總線 內(nèi)存 I/O通道 控制器 I/O設(shè)備 控制器 控制器 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 I/O設(shè)備 23 設(shè)備的控制 — 設(shè)備的尋址與操作 ? 從處理機(jī)的角度看 ， 各種外部設(shè)備可以看作是由一組設(shè)備寄存器組成的 。 ? 常見的設(shè)備寄存器有：操作方式寄存器 、 命令寄存器 、 數(shù)據(jù)寄存器 、 狀態(tài)寄存器等 。 ? 為了使 CPU能夠?qū)ぶ愤@些設(shè)備寄存器，硬件平臺(tái)引入了 I/O端口地址的概念。 24 設(shè)備的控制 — 設(shè)備的尋址與操作 ? I/O端口地址的編址方式有兩種： （ 1） 將設(shè)備寄存器與內(nèi)存物理單元統(tǒng)一編址； （ 2） 獨(dú)立于內(nèi)存物理地址為設(shè)備寄存器編址 。 ? 無論一個(gè)設(shè)備是否由多個(gè)控制器控制 ， 或者一個(gè)控制器控制了多少個(gè)設(shè)備 ， 每一個(gè)設(shè)備都能通過這些寄存器的地址唯一確定 。 25 設(shè)備的控制 — 即插即用 ? 隨著外部設(shè)備種類增加，設(shè)備間極可能發(fā)生沖突。即，設(shè)備使用的中斷號(hào)、 DMA、內(nèi)存地址、端口地址可能因相同或重疊而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。 ? 手工調(diào)整這些設(shè)備的相關(guān)參數(shù)要求用戶具有較多的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)，并對(duì)系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解。 26 設(shè)備的控制 — 即插即用 ? 顧名思義是指 ， 插上了就可使用 ， 不需要用戶進(jìn)行其它設(shè)置 。 ? “ 即插即用 ” 技術(shù)取消了跳線和軟件配置程序 ， 當(dāng)用戶插入一個(gè) “ 即插即用 ” 適配卡或設(shè)備時(shí) ， “ 即插即用 ” 功能就可以自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè) ， 配置相應(yīng)的接口參數(shù) ， 并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序 。 27 設(shè)備的控制 — 即插即用 ? 對(duì)已安裝硬件的自動(dòng)和動(dòng)態(tài)識(shí)別 — 包括系統(tǒng)初始安裝時(shí) 、 兩次系統(tǒng)啟動(dòng)之間以及運(yùn)行時(shí)發(fā)生的硬件事件 （ 如筆記本的對(duì)接 /分離以及設(shè)備的插入 /拔出 ） 的響應(yīng)； ? 配合操作系統(tǒng)分配 /再分配硬件資源 ? 加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序 。 — 當(dāng)系統(tǒng)中加入新設(shè)備時(shí) ， 如果操作系統(tǒng)中沒有集成相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序 ， 則會(huì)要求用戶指定驅(qū)動(dòng)程序的位置并完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝 。 28 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序 ? 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般由設(shè)備制造商提供 ， 不包含在操作系統(tǒng)中 。 ? 但是 ， 為了方便用戶 ， 操作系統(tǒng)軟件包中通常會(huì)集成提供標(biāo)準(zhǔn)的 、 通用的或者流行的 、 常用設(shè)備廠商的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序供用戶選擇 。 ? 從系統(tǒng)分層的觀點(diǎn)來講 ， 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以是操作系統(tǒng)的一部分 ， 也可以被認(rèn)為是硬件設(shè)備的一部分 。 29 I/O控制方式 — 程序 I/O方式 ? 在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中 ， 由于沒有中斷裝置 ，處理機(jī)對(duì)于 I/O設(shè)備的控制采取程序 I/O方式 ? 也稱忙等待方式或循環(huán)測(cè)試方式 。 ? 對(duì)于讀操作 ， 這種方式的基本工作過程為： 30 ① 處理機(jī)向設(shè)備 (或設(shè)備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令啟動(dòng)設(shè)備 、 輸入數(shù)據(jù) ， 同時(shí)將狀態(tài)寄存器中的“ 忙 ” 標(biāo)志置為 1。 ② 處理機(jī)不斷地循環(huán)測(cè)試忙標(biāo)志 ， 直到忙標(biāo)志變?yōu)?0； ③ 處理機(jī)通過 I/O讀指令將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中取出 ， 送入內(nèi)存中指定單元； ④ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 則結(jié)束本過程 ， 否則轉(zhuǎn) ① ， 繼續(xù)讀下一個(gè)數(shù)據(jù) 。 ? 在程序 I/O方式中 ， 由于處理機(jī)的速度非?？?，而設(shè)備的速度相對(duì)較慢 ， 使得處理機(jī)的絕大部分時(shí)間都處于等待設(shè)備完成數(shù)據(jù) I/O的循環(huán)測(cè)試中 ，造成對(duì) CPU的極大浪費(fèi) 。 31 I/O控制方式 — 中斷 I/O方式 ? 對(duì)于讀操作 ， 中斷方式的基本工作過程為： ① 處理機(jī)向設(shè)備 (或設(shè)備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令 ，啟動(dòng)設(shè)備 ， 輸入數(shù)據(jù)； ② 處理機(jī)完成其它工作 ， 設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)； ③ 當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器 ， 向處理機(jī)發(fā)中斷信號(hào) ， 告之?dāng)?shù)據(jù)已準(zhǔn)備好； ④ 處理機(jī)響應(yīng)中斷請(qǐng)求 ， 從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出 ， 送入內(nèi)存的指定單元； ⑤ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 結(jié)束 。 否則 ， 轉(zhuǎn) ① ， 繼續(xù) 。 ? 中斷方式控制 I/O的優(yōu)點(diǎn)在于 ， 設(shè)備與處理機(jī)并行 ， 提高了處理機(jī)的利用率 。 性能優(yōu)于程序控制I/O方式 。 32 I/O控制方式 — DMA方式 ? 中斷 I/O比程序 I/O方式高效，但以字 /字節(jié)為傳輸單位。每完成一個(gè)字 /字節(jié)的傳輸，設(shè)備均要向CPU請(qǐng)求一次中斷。 ? 對(duì)于塊設(shè)備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下。因?yàn)椋l繁的、大量的中斷所累積的開銷很大。 ? 為了進(jìn)一步減少處理機(jī)對(duì) I/O事務(wù)的干預(yù)，出現(xiàn)了 DMA（ Direct Memory Access)直接存儲(chǔ)器訪問 方式。 33 DMA的特點(diǎn) ? 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇?數(shù)據(jù)塊 ； ? 數(shù)據(jù)直接從設(shè)備送入內(nèi)存 ， 或者直接從內(nèi)存送入設(shè)備； ? 僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí) ，才需要處理機(jī)的干預(yù) 。 ? 與中斷方式相比 ， DMA方式大大減少了數(shù)據(jù)I/O對(duì)處理機(jī)的占用 ， 進(jìn)一步提高了處理機(jī)的利用率 ， 提高了處理機(jī)和 I/O設(shè)備的并行操作能力 。 34 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 通道相當(dāng)于一個(gè)功能單純的 處理機(jī) ， 專門用于處理I/O操作 。 通道有自己的運(yùn)控部件和指令系統(tǒng) ， 但沒有專門的內(nèi)存 ， 而是通過 “ 周期竊用 ” 方式與主機(jī)共享內(nèi)存 。 ? 通道通過執(zhí)行通道程序來完成 I/O操作 。 — 通道程