【正文】 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 設(shè)備管理 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 I/O的特點 頸 (1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能 響應(yīng)時間也是一個重要因素 (2)CPU性能越高，與 I/O差距越大 彌補(bǔ)：更多的進(jìn)程 (3)進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 ：資源多、雜，并發(fā)，均來自 I/O 外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異 輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同 速度差異很大 I/O的工作過程與結(jié)構(gòu)是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵 I/O技術(shù)很實用 ，特別是文件系統(tǒng) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 設(shè)備管理的目標(biāo)和任務(wù) 1. 按照用戶的請求，控制設(shè)備的各種操作，完成 I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設(shè)備分配與回收；設(shè)備驅(qū)動程序；設(shè)備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的 I/O請求 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 功能 （ 1）設(shè)備分配與回收 記錄設(shè)備的狀態(tài) 根據(jù)用戶的請求和設(shè)備的類型，采用一定的分配算法，選擇一條數(shù)據(jù)通路 （ 2）建立統(tǒng)一的獨立于設(shè)備的接口 （ 3）完成設(shè)備驅(qū)動程序，實現(xiàn)真正的 I/O操作 （ 4）處理外部設(shè)備的中斷處理 （ 5）管理 I/O緩沖區(qū) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 口，使用戶擺脫繁瑣的編程負(fù)擔(dān) ? 方便性 ? 友好界面 ? 透明性 邏輯設(shè)備與物理設(shè)備、屏蔽硬件細(xì)節(jié)（設(shè)備的物理細(xì)節(jié)，錯誤處理，不同 I/O的差異性） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 （通道，中斷，緩沖等）提高 CPU與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率 ? 并行性 ? 均衡性（使設(shè)備充分忙碌） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 ，當(dāng)多個進(jìn)程競爭使用設(shè)備時，按一定策略分配和管理各種設(shè)備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作 設(shè)備傳送或管理的數(shù)據(jù)應(yīng)該是安全的、不被破壞的、保密的 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 6. 與設(shè)備無關(guān)性（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 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 用戶申請使用設(shè)備時，只需要指定設(shè)備類型，而無須指定具體物理設(shè)備，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前的請求，及設(shè)備分配的情況，在相同類別設(shè)備中，選擇一個空閑設(shè)備，并將其分配給一個申請進(jìn)程 統(tǒng)一性： 對不同的設(shè)備采取統(tǒng)一的操作方式，在用戶程序中使用的是邏輯設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 優(yōu)點： ? 設(shè)備忙碌或設(shè)備故障時，用戶不必修改程序 ? 改善了系統(tǒng)的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè)備管理 I/O系統(tǒng) I/O控制方式 緩沖管理 設(shè)備分配 設(shè)備處理 磁盤存儲器管理 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 I/O設(shè)備（種類繁多 ) 1. I/O設(shè)備的類型 1) 按傳輸速度的高低 ， 可將 I/O設(shè)備分為三類 。 第一類是 低速設(shè)備 ， 這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設(shè)備 。 屬于低速設(shè)備的典型設(shè)備有鍵盤 、 鼠標(biāo)器 、 語音的輸入和輸出等設(shè)備 。 第二類是 中速設(shè)備 ， 這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設(shè)備 。 典型的中速設(shè)備有行式打印機(jī) 、 激光打印機(jī)等 。 第三類是 高速設(shè)備 ， 這是指其傳輸速率在數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的一類設(shè)備 。 典型的高速設(shè)備有磁帶機(jī) 、 磁盤機(jī) 、 光盤機(jī)等 。 I/O 系 統(tǒng) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 2) 可將 I/O設(shè)備分成兩類 。 第一類是 塊設(shè)備 (Block Device)，這類設(shè)備用于存儲信息 。 由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位 ， 故而得名 。 它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備 。 典型的塊設(shè)備是磁盤 ，每個盤塊的大小為 512 B~4 KB。 磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高 ， 通常每秒鐘為幾兆位；另一特征是可尋址 ， 即對它可隨機(jī)地讀 /寫任一塊；此外 ， 磁盤設(shè)備的 I/O常采用DMA方式 。 第二類是 字符設(shè)備 (Character Device)， 用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出 。 其基本單位是字符 ， 故稱為字符設(shè)備 。 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 3) 這種分類方式可將 I/O (1) 獨占設(shè)備。 在一段時間內(nèi)只能有一個進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備。（如打印機(jī)，磁帶等） (2) 共享設(shè)備。 在一段時間內(nèi)可有多個進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高。（如硬盤） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 ? (3) 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 虛設(shè)備 目的：將慢速的獨占設(shè)備改造成多個用戶可共享的設(shè)備，提高設(shè)備的利用率 （實例： SPOOLing技術(shù)，利用虛設(shè)備技術(shù) —— 用硬盤模擬輸入輸出設(shè)備） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 按使用特性分 存儲型設(shè)備 輸入型設(shè)備（ 外設(shè) ?主機(jī) ） 輸出型設(shè)備（主機(jī) ?外設(shè)） 輸入輸出型設(shè)備（交互型設(shè)備） 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 從程序使用角度分 邏輯設(shè)備 物理設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 2. 設(shè)備與控制器之間的接口 圖 51 設(shè)備與控制器間的接口 緩沖 轉(zhuǎn)換器控制邏 輯信號數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信 號線狀態(tài)信 號線控制信 號線至設(shè)備控制器I / O 設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 設(shè)備控制器 是 CPU和設(shè)備之間的接口。 在小型和微型機(jī)中，它常采用印刷電路卡插入計算機(jī)中。 可以控制一個或者多個設(shè)備，完成設(shè)備與主機(jī)間的連接和通訊 設(shè)備控制器中有一組寄存器， CPU通過向其中的控制寄存器寫命令字來執(zhí)行 I/O操作； I/O情況以及設(shè)備狀況均放在狀態(tài)寄存器中；還包括一些設(shè)備數(shù)據(jù)緩沖寄存器 每個寄存器均要編址 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 控制器卡上通常有一個插座，通過電纜與設(shè)備相連 控制器和設(shè)備之間的接口是一個標(biāo)準(zhǔn)接口，它符合 ANSI、 IEEE或 ISO這樣的國際標(biāo)準(zhǔn) CPU 外 部 設(shè) 備 控 制 邏 輯 電 路 控制寄存器 狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)寄存器 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 1. 設(shè)備控制器的基本功能 1) 接收和識別命令 2) 數(shù)據(jù)交換 3) 標(biāo)識和報告設(shè)備的狀態(tài) 4) 地址識別 5) 數(shù)據(jù)緩沖 6) 差錯控制 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 2. 設(shè)備控制器的組成 圖 52 設(shè)備控制器的組成 數(shù)據(jù)寄 存器控制/ 狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線I / O 邏輯?控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口 i數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制?地址線控制線C P U 與控制 器接口 控 制 器 與 設(shè) 備 接 口第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 通道技術(shù) ：通道是獨立于 CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入 /輸出傳輸工作的處理機(jī)，對外部設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替 CPU對輸入 /輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與 CPU并行操作。 可以執(zhí)行通道程序 I/O通道 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 為了使 CPU從 I/O事務(wù)中解脫出來，同時為了提高 CPU與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 3. 分類 1) 字節(jié)多路通道 字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳輸信息，它可以分時地執(zhí)行多個通道程序。當(dāng)一個通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息 主要連接以字節(jié)為單位的低速 I/O設(shè)備。 如打印機(jī)，終端。 以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏敚?dāng)一臺傳送一個字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺傳送字節(jié) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 2)數(shù)組選擇通道 選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。選擇通道在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，只允許一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 當(dāng)這臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設(shè)備，執(zhí)行它的相應(yīng)的通道程序 主要連接磁盤，磁帶等高速 I/O設(shè)備 選擇通道 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 3)成組多路通道 它結(jié)合了選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進(jìn)行分時并行操作的優(yōu)點。它先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動轉(zhuǎn)接，為另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令 主要連接高速設(shè)備 這樣，對于連接多臺磁盤機(jī)的數(shù)組多路通道，它可以啟動它們同時執(zhí)行移臂定位操作，然后，按序交叉地傳輸一批批數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)多路通道實際上是對通道程序采用多道程序設(shè)計的硬件實現(xiàn) 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 通道： 執(zhí)行通道程序，向控制器發(fā)出命令，并具有向 CPU發(fā)中斷信號的功能。 一旦 CPU發(fā)出指令，啟動通道，則通道獨立于 CPU工作。一個通道可連接多個控制器，一個控制器可連接多個設(shè)備，形成樹形交叉連接 主要目的是啟動外設(shè)時： a 提高了控制器效率 b 提高可靠性 c 提高并行度 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 交叉連接 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 5. 通道工作原理 通道相當(dāng)于一個功能簡單的處理機(jī)，包含通道指令（空操作，讀操作，寫操作，控制，轉(zhuǎn)移操作），并可執(zhí)行用這些指令編寫的通道程序 第五章 設(shè) 備 管 理 寧波大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 彭宗舉 1) 通道運(yùn)算控制部件