20--os设备管理

,段景山,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,软件技术基础,制作,主讲,设备管理,1,操作系统内容概要,操作系统概述和基本原理,操作系统的几大基本的管理功能,处理机管理,存储器管理,设备管理,文件管理,作业管理,2,设备管理的基本概念,设备的分配,第二篇 操作系统,设备的驱动,第七章 设备管理,设备数据传送方式,缓冲技术,假脱机技术,3,I/O系统,7.1 I/O系统,7.1.1 I/O系统的结构,7.1.2 I/O设备分类,7.1.3 设备管理的功能,7.1.4设备控制器,7.1.5 I/O通道,4,基于总线结构的I/O系统,（1）微机I/O系统的结构,共享总线，设备与CPU之间要通过设备控制器,CPU,存储器,高速I/O设备,总线,低速I/O设备,设备控制器,设备控制器,5,基于主存和通道的I/O系统,CPU,主存,通道,通道,通道,通道,某I/O,设备,磁,盘,磁带,通信,设备,主存,可同时进行,控制,（2）主机I/O系统结构,通道与CPU共享主存,通道代替CPU完成与设备控制器的通信,6,I/O设备分类,7.1.2 I/O设备分类,按传输速度,按信息交换单位,按分配方式,按工作特性,I/O设备,存储设备,低速,：,键盘、鼠标,中速,：,打印机,高速,：,磁盘,块设备,：,信息传输以块为单位,字符设备,：,信息传输以字节为单位,独占设备,：,打印机,共享设备,：,磁盘,虚拟设备,：,将独占设备虚拟为多台虚拟设备,达到共享设备的目的,7,设备管理的功能,7.1.3 设备管理的功能,为用户提供简单一致的方式访问各种I/O设备的能力,1）进行设备分配 设备分配程序,按设备类型和系统分配策略进行设备分配与回收,2、实现真正I/O操作 设备驱动程序,向用户提供统一的接口屏蔽I/O操作的细节,实现设备驱动真正的I/O操作,实现虚拟设备管理,3、实现其它功能 缓冲区管理,用缓冲区提供CPU与I/O设备的速度匹配,8,设备管理控制器,7.1.4设备控制器,1）什么是设备控制器,位于CPU与设备之间，接收CPU下达的输入、输出命令并控制具体设备实现操作。,接口,：位于CPU与设备之间,解脱,：将CPU从I/O控制中解脱,可编址,：一个控制器可控制一个或多个设备,接口卡,：存在形式，如声卡、显卡等,字符与块控制,：I/O控制，数据传递方式,9,设备控制器的功能,2）设备控制器功能,接收和识别命令,地址识别,命令接收,命令识别,数据交换,数据暂存、缓冲,数传速率匹配,监测设备状态,CPU,下达控制命令,地址识别,out 10H，1,10H,11H,命令接收,命令识别,弹出,光盘,光盘,就绪,产生中断信号,通知CPU,10,设备控制器的接口,3）设备控制器的接口,数据接口,传递数据,控制接口,传递控制命令或控制信号,状态接口,传递设备状态信号,11,设备控制器的组成,4）设备控制器组成,控制器与CPU的接口单元,控制器与设备接口单元,I/O逻辑单元,实现控制功能：命令识别，状态处理,数据线,数据寄存器,地址线,I/O逻辑,控制线,控制器与,设备接口,控制器与,设备接口,数据信号,控制信号,状态信号,数据信号,控制信号,状态信号,12,通道,7.1.5 I/O通道,引入,将CPU进一步从低速复杂的I/O操作中解脱出来,通道：,是一种特殊的处理机，具有执行I/O指令的能力。通道通过执行通道程序来控制I/O操作,主机具有一个或多个通道，通道和CPU都共享一个主存,一个通道可管理一个或多个设备控制器，进而管理一个或多个设备,13,通道,一个通道可管理一个或多个设备控制器，进而管理一个或多个设备,通道,设备控制器,设备控制器,设备,设备,设备,通道,设备控制器,设备,设备,主存,CPU,14,OP,P,R,数量,地址,0,31,OP:操作码，读、写、控制,P:通道程序结束标志,R:纪录结束标志,C,0,0,0,4,R,0,1,1000,200,W,0,1,40,1200,w,1,1,300,1240,R,W,C,例：,磁带反卷,从通道中读入1000个字节到,内存200起始处,向通道写出40字节，数据块,起始于内存1200,向通道写出300字节，数据块,起始于内存1240,通道程序指令结构,通道程序,15,通道工作原理,通道工作基本原理,CPU只需向通道发出一条指令，通道便从内存中取出本次执行的通道程序，并执行。,通道程序可以包含多次输入、输出，是一个相对完整的过程,通道把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来,通道之间可以并行执行，系统I/O效率得到提高,16,通道的类型,通道类型,字节多路通道,以字节为单位传送数据,以“分时”方式服务于多个I/O设备多路,数据传送速率低,数组选择通道,以数组为单位传送数据,设备独占通道,数据传送速率高，通道利用率低,17,通道的类型,通道的类型,数组多路通道,以数组为单位,分时服务于多个设备,数据传送速率高，通道利用率高,18,单通路与多通路系统,单通路与多通路系统,单通路：树型结构，从通道到设备只有一条通路,多,通路：从设备到通道有多条通路,通道,设备控制器,设备控制器,设备,设备,设备,通道,通道,设备控制器,设备控制器,设备,设备,通道,设备,19,I/O控制方式,7.2 I/O控制方式,程序控制I/O方式,中断控制I/O方式,DMA方式,通道控制方式,类,比,假设你参加希望工程，捐助一名失学儿童，你会怎样与她/他沟通？,20,程序控制I/O方式,7.2.1 程序控制I/O方式（轮询）,由程序循环测试控制器的状态,启动数据,接收,有数据,接收？,否,是,启动数据,发送,数据发送,完毕？,否,是,忙等,21,中断控制方式与DMA方式,CPU,总线,I/O设备,内存,中断,CPU,I/O设备,内存,DMA,通知已,传输完毕,22,中断控制I/O方式,7.2.2 中断控制方式,设备的控制通过中断机制实现，如有数据到达时，设备通过中断信号通知CPU，CPU调用相应的中断处理程序接收数据,结合中断机制和进程状态转换，可实现让权等待,CPU,总线,I/O设备,内存,中断,23,中断实现输入的流程,进程利用中断实现输入的流程,初始化,阻塞等待输入,控制设备,完成输入,中断处理程序中，根据中断类型唤醒相应等待进程,设备产生输入中断,需要输入数据的进程,24,中断实现输出的流程,进程利用中断实现输出的流程,向设备输出数据,阻塞等待输出完成,设备产生输出中断,中断处理程序中，根据中断类型唤醒相应等待进程,需要输出数据的进程,25,中断机制实现了CPU与设备的并行控制让权等待,CPU,输入：,其他进程,中断处理,设备,等待数据,继续,处理输入数据,被唤醒的等待进程,数据到,设备,产生中断,暂不接收,数据,清除中断,等待数据,唤醒等待接收的进程,CPU,等待进程测试设备,设备,等待数据,继续测试设备,处理输入数据,数据到,设备,暂不接收,数据,等待数据,忙等,轮询方式,中断方式,26,中断控制方式的特点,中断控制方式的特点,结合中断控制方式和进程的状态转换，可以实现让权等待，使CPU和设备都得到充分利用,中断控制方式一般以字节为单位产生中断，传输速率较低,系统处理一个字节要经过中断响应、中断程序处理、控制设备的进程被唤醒、进程被调度，进程从设备读入或向设备输出一个字节。开销较大，传输效率较低,27,DMA控制I/O方式,7.2.3 DMA方式,DMA方式为成块传递，减少CPU在数据传递过程中的干预,1）数据直接在DMA控制器控制下通过总线传递到内存中,2）在完成指定数量的数据接收后，DMA控制器才向CPU产生中断。,3）中断处理程序可能唤醒等待数据的进程,4）等待数据的进程经过调度后，处理输入的数据，此时数据已经在内存里了,28,通道控制I/O方式,7.2.4 通道控制,通道通过执行通道程序并行完成一系列输入输出过程,通道进一步减少CPU对输入输出过程的干预。整个过程中，CPU只需向通道发出一个指令,通道提高CPU与设备之间的并行性，提高资源利用率，提高系统吞吐量,通道之间，通道与CPU之间是并行的,29,缓冲管理,7.3缓冲管理,7.3.1 缓冲思想的引入：,CPU与I/O设备速度匹配问题,减少中断频率,缓冲一定数量的数据后才向CPU产生一次中断,提高CPU与I/O之间的并行性,减少CPU在设备数据传输期的干预,速度1,速度2,30,单缓冲管理,7.3.2 单缓冲,接收,设备以速率V向缓冲输入数据,缓冲区满后CPU以速率W读出数据,缓冲区处理完后再由设备输入数据,发送,反之亦然,速度V,速度W,解决了速率匹配问题,31,双缓冲管理,7.3.3双缓冲,设置两个缓冲区,提高CPU与设备间的并行度,设备,CPU,设备1,设备2,CPU,双向通信,接收,设备,发送,设备,CPU,例1,例2,例3,同时,同时,32,循环缓冲管理,7.3.4 循环缓冲,多个缓冲区循环使用，类似循环队列,CPU,设备输入,next_in,next_out,33,缓冲池的管理,7.3.5缓冲池的管理,可供多个对象共享的公用缓冲区组成的缓冲池,缓冲池组成,多种类型的缓冲区组成的三条队列,inq,：从设备输入的数据缓冲区队列,outq,：准备向设备输出的数据缓冲区队列,emptyq,：空缓冲区队列,34,缓冲池的组成,缓冲池的组成,emptyq,inq,outq,收容输入,提取输出,提取输入,收容输出,设备,CPU,数据到达,取走数据,发送数据,取走发送,35,缓冲池操作,缓冲池操作（四种操作）,设备输入数据到缓冲池,get buffer from emptyq;,fill data in buffer;,put buffer in inq;,收容输入,用户从缓冲池读入数据,get buffer from inq;,calculate data in buffer;,put buffer back to emptyq,提取输入,用户向数据缓冲池输出数据,get buffer from outq;,Send data;,put buffer in emptyq;,收容输出,设备从缓冲池中读出输出数据并完成输出,get buffer from emptyq;,fill data in buffer;,put buffer outq;,提取输出,设备,用户,注意：还应结合进程同步机制,36,设备分配的功能,7.4设备的分配,7.4.1 设备分配功能,按一定算法进行设备分配,保证：,“有”用户能得到设备使用权。,“安全”用户使用设备是安全的。,包括设备、设备控制器及通道,37,38,设备分配涉及的数据结构,7.4.2实现设备分配的数据结构,系统设备表：纪录系统设备情况,设备控制表：纪录设备信息及设备的控制器表,设备控制器表：纪录控制器信息及通道控制表,通道控制表：纪录通道信息,设备名,SDT,DCT,COCT,CHCT,设备控制表,设备名,设备控制表,设备名,设备控制表,设备名,设备控制表,SDT,设备名,设备控制器,设备名,设备控制器,状态,状态,控制器名,通道控制表,状态,控制器名,通道控制表,状态,DCT,COCT,通道标识,状态,通道标识,状态,CHCT,39,设备分配时考虑的因素,7.4.3设备分配应考虑的因素,1）设备的固有属性：,独占,共享,2）分配的算法：,当申请设备的进程有多个时,先申请的进程先满足FIFO,按进程的优先级分配,当可申请的设备有多个时,40,设备分配时考虑的因素,3）设备分配的安全性：死锁,安全分配：非请求和保持，CPU与设备串行工作,不安全分配：分配设备时应该进行安全性状态检测,41,设备分配时考虑的因素,4）逻辑设备独立于物理设备,用户使用逻辑设备，由系统控制具体的物理设备,系统能根据用户提供的逻辑设备名找到相应的物理设备,优点：,灵活分配,易于重定向,逻辑设备表：,完成逻辑设备名到物理设备的映射,42,43,设备分配的过程,7.4.4设备分配的基本过程,分配设备,分配设备控制器,分配通道,启动I/O设备开始信息传递,44,分配设备的子流程,分配设备,根据设备名查SDT表，,找到该设备的DCT,该设备忙？,分配安全？,将设备分配给进程,将进程插入DCT,等待设备进程队列中,否,是,是,否,*,45,分配设备控制器的子流程,分配设备控制器,根据DCT表，,找到该设备的控制器表COCT,控制器忙？,将设备控制器分配给进程,将进程插入COCT,等待设备控制器,进程队列中,否,是,*,*,46,分配通道的子流程,分配通道,根据COCT表，,找到该设备的通道表CHCT,通道忙？,将通道分配给进程,将进程插入CHCT,等待通道进程队列中,否,是,*,*,47,真脱机I/O技术,7.5虚拟设备管理SPOOLING技术,“假脱机技术”,7.5.1真脱机技术,输入、输出是脱离主机完成的。,CPU只与高速磁盘（磁带）交换数据,靠外围机控制输入、输出设备与磁盘交换数据,其它,输入井,输出井,高速,高速,脱离主机进行,脱离主机进行,48,虚拟设备管理技术,7.5.2 Spooling假脱机技术,1）技术要点：,（1）多道程序并发执行,（2）一道程序,模拟,外围机的,输入,，将数据从设备输入到磁盘,（3）一道程序,模拟,外围机的,输出,，将数据从磁盘输出到设备,（4）其它程序与设备的通信和脱机方式一样：只读写高速磁盘,（5）主机仍要控制外围设备“假脱机”,49,虚拟设备管理技术的特点,2）特点,（1）提高了进程访问低速设备速率,（2）独占设备成为虚拟设备,不与实际设备直接交互,（3）独占设备成为共享设备,磁盘是可共享的高速设备,多个进程可以同时共享虚拟设备（磁盘上的文件），由系统控制独占设备逐件完成任务。,50,虚拟设备管理例,例：Windows系统下，使用了spooling技术的打印机管理。,打开多个word文档，可同时向虚拟打印机打印文档。,每个文档都在几秒之内认为文档打印结束，可以继续进行编辑任务。实际文档并没有打印出来，而是输出到spooling技术控制的打印队列中。,打开打印机管理器，可以发现系统将需要打印的文档排了队，在系统控制下逐个打印。,51,虚拟设备管理例,Windows打印管理,52,其它,输入井：,外围计算机,输出井,外围计算机,高速,高速,用户程序,用户终端,其它,低速,硬盘,低速,模拟输入,高速,模拟输出,高速,数据,数据,模拟,模拟,用户程序获得：高速输入 高速输出,用户程序获得：高速输入 高速输出,低速,53,2）特点,（1）提高了进程访问低速设备速率,（2）独占设备成为虚拟设备,（3）独占设备成为共享设备,虚拟设备特点,不与实际设备直接交互,磁盘是可共享的高速设备,其它,硬盘,模拟输入,高速,模拟输出,高速,54,虚拟设备管理系统的组成,xx,其它,硬盘,模拟输入,高速,模拟输出,高速,3）Spooling系统组成,（1）输入井、输出井磁盘上,（2）输入缓冲、输出缓冲内存中,（3）输入程序、输出程序脱机模拟,（4）请求设备的进程列表排队机制,55,虚拟设备比较,与不脱机技术比较,提高了进程访问设备的速度,通过让用户进程较快完成任务，从而引入更多进程，提高了系统吞吐量,独占设备成为虚拟设备,独占设备成为共享设备,与真脱机技术比较,主机系统仍要与低速设备打交道,整个系统的吞吐量不如真脱机,56,设备处理的基本功能,7.6设备的处理设备驱动,7.6.1基本功能,在分配程序完成设备分配之后进行,（1）解释I/O指令,（2）发动并完成具体I/O操作,（3）响应设备及控制器的I/O请求，调用相应的中断处理程序,57,设备处理方式,7.6.2 设备处理方式,1）为每一类设备设置一个I/O进程,灵活,2）在整个系统中设置一个I/O进程,便于统一管理,3）不设置进程而是提供模块以供用户及系统调用,减少进程数量,58,设备驱动过程,7.6.3设备驱动处理过程,（1）理解CPU的I/O要求，检查合法性,（2）检测设备状态,（3）启动执行：填写设备控制器的寄存器,（4）启动I/O操作后阻塞,输出：等待设备发送结束中断,输入：等待设备数据到达中断,（5）中断处理,保护被中断进程CPU现场,转入对中断事件处理的程序,唤醒被阻塞的驱动程序,恢复被中断进程现场并继续执行,59,设备的驱动与中断处理,CPU,其他进程,中断处理,设备,等待数据,继续,处理输入数据,被唤醒的等待进程,数据到,设备,产生中断,暂不接收,数据,清除中断,等待数据,唤醒等待接收的进程,CPU,设备,等待数据,初始化,理解I/O要求,检查合法性,检测设备,状态,启动I/O,并阻塞,其他进程,60,作业,1、设备的分类有哪些？什么是设备控制器，你能举出几种设备控制器吗？,2、中断控制I/O方式是怎样实现让权等待的？,3、缓冲区有哪些作用,4、虚拟设备的基本思想，怎样解释虚拟设备的虚拟性,5、请总结一下设备管理的功能有哪些,61,