【正文】 第四章 設備管理 1 本章要點 ? 設備管理的主要功能、模型 ? I/O子系統(tǒng)的組成、結構 ? 設備的控制、 I/O控制 ? 設備的類型 ? 設備分配 ? I/O緩沖技術 ? 虛擬設備與 SPOOLing系統(tǒng) ? 磁盤設備的管理 2 設備管理概述 3 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 4 設備分配 ? 多道程序系統(tǒng)中的設備不允許用戶直接使用 ，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調度和控制 。 ? 設備分配功能是設備管理的基本任務 。 ? 設備分配程序 按照一定的策略 ， 為申請設備的用戶進程分配設備 ， 記錄設備的使用情況 5 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 6 設備映射 ? 為了提高應用軟件對運行平臺的適應能力 ，方便實現(xiàn)應用軟件 I/O重定向 ， 大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均支持應用軟件對設備的無關性 ，即通常所說的 設備無關性 ， 或者 設備獨立性 。 — 設備無關性：應用軟件所引用的 、 用于實現(xiàn) I/O操作的設備與物理 I/O系統(tǒng)中實際安裝的設備沒有固定的聯(lián)系 。 7 設備映射 ? 邏輯設備和物理設備 — 邏輯設備是指 ， 應用軟件所引用的用于實現(xiàn) I/O操作的設備 。 — 物理設備則指 ， 物理 I/O系統(tǒng)中實際安裝的設備 。 ? 從應用軟件的角度看 ， 邏輯設備是一類物理設備的抽象 。 從操作系統(tǒng)設備管理程序的角度看 ， 物理設備則是某種邏輯設備的實例 。 8 設備映射 ? 如果某系統(tǒng)支持設備無關性 ， 那么該系統(tǒng)中應用軟件所引用的邏輯設備與實際安裝的物理設備沒有固定的聯(lián)系 。 ? 事實上 ， 在應用軟件運行期間 ， 操作系統(tǒng)的設備管理程序必須將該應用軟件 對邏輯設備的引用轉換成對相關物理設備的引用 。 ? 設備管理的這種功能稱為邏輯設備到物理設備的映射功能 ， 簡稱 設備映射功能 。 9 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 10 設備驅動 ? 又稱設備處理 ， 指對物理設備進行控制 ， 以實現(xiàn)真正的 I/O操作 。 ? 設備驅動的主要任務是：接收上層軟件發(fā)來的抽象服務請求 ， 例如讀 /寫命令 ， 再把它轉換為具體要求 ， 通過一系列的 I/O指令 ， 控制設備完成請求的操作；同時 ， 設備驅動程序還將設備發(fā)來的有關信號傳送給上層軟件 ， 例如設備是否已損壞等 。 11 設備驅動 ? 設備驅動程序與硬件密切相關，應為每一類設備配置一種驅動程序。 ? 設備驅動程序一般由設備開發(fā)廠商根據(jù)操作系統(tǒng)的要求組織編寫，操作系統(tǒng)僅對與設備驅動的接口提出要求，一般不負責具體設備驅動程序的編寫。 ? 有時候，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備驅動程序，或者設備驅動程序設計有問題，使得設備無法正常工作。 12 設備管理的主要功能 設備分配 設備映射 設備驅動 I/O緩沖區(qū)的管理 13 I/O緩沖區(qū)的管理 ? 為了緩和處理機與外部設備間速度不匹配的矛盾 ，提高處理機和外部設備間的并行性 ， 現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設備管理部分引入了 緩沖技術 。 ? 通常，緩沖區(qū)是指 內存 中的若干區(qū)域，用于緩存進程與外部設備間的數(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 通用設備管理分層模型 ? 將設備管理功能模塊分為設備 硬件無關 以及設備 硬件相關 兩個層次 。 ? 設備硬件無關層主要實現(xiàn)： I/O緩沖區(qū)管理以及設備映射功能 。 該層與設備用法有關 ，與設備硬件無關 。 ? 一般地 ， 根據(jù)設備的用法 ， 該層也可視作虛擬存儲系統(tǒng) 、 文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的一部分 。 15 通用設備管理分層模型 ? 設備硬件相關層將設備硬件無關層與設備硬件隔離開來 。 ? 從設備硬件無關層的角度看 ， 設備硬件相關層為其提供了一個相對簡潔的 I/O功能接口；該接口屏蔽了設備硬件復雜的操作細節(jié) 。 ? 從設備硬件相關層的內部看 ， 該層主要實現(xiàn)設備驅動功能 。 毫無疑問 ， 該層與設備硬件密切相關 。 16 通用設備管理分層模型 用戶進程 設備硬件無關層 設備硬件相關層 設備硬件 17 支持中斷的設備管理模型 用戶進程 設備硬件 內核中斷管理模塊 I/O請求 IOCS 資源等待隊列I/O等待隊列 設備驅動程序 啟動過程 |繼續(xù)過程 設備中斷 18 計算機 I/O子系統(tǒng)的組成 19 總線型 I/O系統(tǒng)的結構 處理機 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 內存 20 通道型 I/O系統(tǒng)的結構 處理機 I/O設備 I/O設備 I/O通道 I/O通道 系統(tǒng)總線 內存 I/O通道 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 21 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結構 ? 傳統(tǒng)的設備 = 機械部分 + 電子部分 ? 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅動機械部分運轉 ， 完成I/O操作 。 ? 由于設備中電子部分比機械部分的速度快得多 。 為了降低硬件成本 ， 將 電子部分 從設備中分離出來作為一個獨立的部件 ， 這就是 控制器 。 ? 分離之后的設備僅由機械部分構成 ， 一個控制器可與多個設備相連 ， 交替地或分時地控制與其相連的設備 。 例如 ， 磁盤控制器可以控制多個磁盤驅動器 。 22 具有控制器的 I/O系統(tǒng)結構 處理機 控制器 I/O設備 I/O通道 系統(tǒng)總線 內存 I/O通道 控制器 I/O設備 控制器 控制器 I/O設備 I/O設備 I/O設備 I/O設備 23 設備的控制 — 設備的尋址與操作 ? 從處理機的角度看 ， 各種外部設備可以看作是由一組設備寄存器組成的 。 ? 常見的設備寄存器有：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能夠尋址這些設備寄存器，硬件平臺引入了 I/O端口地址的概念。 24 設備的控制 — 設備的尋址與操作 ? I/O端口地址的編址方式有兩種： （ 1） 將設備寄存器與內存物理單元統(tǒng)一編址； （ 2） 獨立于內存物理地址為設備寄存器編址 。 ? 無論一個設備是否由多個控制器控制 ， 或者一個控制器控制了多少個設備 ， 每一個設備都能通過這些寄存器的地址唯一確定 。 25 設備的控制 — 即插即用 ? 隨著外部設備種類增加，設備間極可能發(fā)生沖突。即，設備使用的中斷號、 DMA、內存地址、端口地址可能因相同或重疊而導致設備無法正常工作。 ? 手工調整這些設備的相關參數(shù)要求用戶具有較多的計算機硬件知識，并對系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解。 26 設備的控制 — 即插即用 ? 顧名思義是指 ， 插上了就可使用 ， 不需要用戶進行其它設置 。 ? “ 即插即用 ” 技術取消了跳線和軟件配置程序 ， 當用戶插入一個 “ 即插即用 ” 適配卡或設備時 ， “ 即插即用 ” 功能就可以自動進行檢測 ， 配置相應的接口參數(shù) ， 并安裝相應的驅動程序 。 27 設備的控制 — 即插即用 ? 對已安裝硬件的自動和動態(tài)識別 — 包括系統(tǒng)初始安裝時 、 兩次系統(tǒng)啟動之間以及運行時發(fā)生的硬件事件 （ 如筆記本的對接 /分離以及設備的插入 /拔出 ） 的響應； ? 配合操作系統(tǒng)分配 /再分配硬件資源 ? 加載相應的驅動程序 。 — 當系統(tǒng)中加入新設備時 ， 如果操作系統(tǒng)中沒有集成相應設備的驅動程序 ， 則會要求用戶指定驅動程序的位置并完成驅動程序的安裝 。 28 設備驅動程序 ? 設備驅動程序一般由設備制造商提供 ， 不包含在操作系統(tǒng)中 。 ? 但是 ， 為了方便用戶 ， 操作系統(tǒng)軟件包中通常會集成提供標準的 、 通用的或者流行的 、 常用設備廠商的設備驅動程序供用戶選擇 。 ? 從系統(tǒng)分層的觀點來講 ， 設備驅動程序可以是操作系統(tǒng)的一部分 ， 也可以被認為是硬件設備的一部分 。 29 I/O控制方式 — 程序 I/O方式 ? 在早期的計算機系統(tǒng)中 ， 由于沒有中斷裝置 ，處理機對于 I/O設備的控制采取程序 I/O方式 ? 也稱忙等待方式或循環(huán)測試方式 。 ? 對于讀操作 ， 這種方式的基本工作過程為： 30 ① 處理機向設備 (或設備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令啟動設備 、 輸入數(shù)據(jù) ， 同時將狀態(tài)寄存器中的“ 忙 ” 標志置為 1。 ② 處理機不斷地循環(huán)測試忙標志 ， 直到忙標志變?yōu)?0； ③ 處理機通過 I/O讀指令將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中取出 ， 送入內存中指定單元； ④ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 則結束本過程 ， 否則轉 ① ， 繼續(xù)讀下一個數(shù)據(jù) 。 ? 在程序 I/O方式中 ， 由于處理機的速度非?？?，而設備的速度相對較慢 ， 使得處理機的絕大部分時間都處于等待設備完成數(shù)據(jù) I/O的循環(huán)測試中 ，造成對 CPU的極大浪費 。 31 I/O控制方式 — 中斷 I/O方式 ? 對于讀操作 ， 中斷方式的基本工作過程為： ① 處理機向設備 (或設備控制器 )發(fā)出一條 I/O指令 ，啟動設備 ， 輸入數(shù)據(jù)； ② 處理機完成其它工作 ， 設備準備數(shù)據(jù)； ③ 當設備準備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器 ， 向處理機發(fā)中斷信號 ， 告之數(shù)據(jù)已準備好； ④ 處理機響應中斷請求 ， 從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出 ， 送入內存的指定單元； ⑤ 若數(shù)據(jù)已讀完 ， 結束 。 否則 ， 轉 ① ， 繼續(xù) 。 ? 中斷方式控制 I/O的優(yōu)點在于 ， 設備與處理機并行 ， 提高了處理機的利用率 。 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。每完成一個字 /字節(jié)的傳輸，設備均要向CPU請求一次中斷。 ? 對于塊設備而言，這種方式的效率還是顯得有些低下。因為，頻繁的、大量的中斷所累積的開銷很大。 ? 為了進一步減少處理機對 I/O事務的干預，出現(xiàn)了 DMA（ Direct Memory Access)直接存儲器訪問 方式。 33 DMA的特點 ? 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇?數(shù)據(jù)塊 ； ? 數(shù)據(jù)直接從設備送入內存 ， 或者直接從內存送入設備； ? 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結束時 ，才需要處理機的干預 。 ? 與中斷方式相比 ， DMA方式大大減少了數(shù)據(jù)I/O對處理機的占用 ， 進一步提高了處理機的利用率 ， 提高了處理機和 I/O設備的并行操作能力 。 34 I/O控制方式 — I/O通道方式 ? 通道相當于一個功能單純的 處理機 ， 專門用于處理I/O操作 。 通道有自己的運控部件和指令系統(tǒng) ， 但沒有專門的內存 ， 而是通過 “ 周期竊用 ” 方式與主機共享內存 。 ? 通道通過執(zhí)行通道程序來完成 I/O操作 。 — 通道程