操作系统第15讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Operating System Conception,1.,*,操作系统概念,第十五讲,设备管理（1）,回顾,文件系统的逻辑结构分为几类？物理结构分为几类？,文件系统的存取控制有几种方法？,本课总体纲要,设备管理概述,数据传输控制方式,中断技术,设备管理概述,外部设备,存储设备,I/O设备,终端设备,脱机设备,磁带,磁盘,其他,键盘,显示器,打印机,绘图仪,通用终端,专用终端,虚拟终端,其他,设备分类,按设备使用特性分类：,存储设备、,I/O,设备、终端设备、脱机设备,按从属关系分类：,系统设备、用户设备,按设备的资源管理分类：,独占设备、共享设备、虚拟设备,按信息的交换单位分类：,块设备、字符设备,设备管理功能,设备分配,按照设备类型和相应的控制算法将设备分配给申请的进程，将未分配到设备的进程放入等待队列。,设备处理,提供进程管理系统的接口，当进程要求设备资源时，建立进程通信接口,设备独立性以及并行操作性,为用户提供友好的透明接口，屏蔽了具体硬件设备的细节,缓冲管理,CPU,的执行速度和内存的访问速度较高，而设备的数据存取速度较低。系统通过建立缓冲区来实现数据存取的平衡，从而提高,CPU,的利用率。,本课总体纲要,设备管理概述,数据传输控制方式,中断技术,数据传输控制方式,程序直接控制方式,中断控制方式,DMA方式,通道方式,程序直接控制方式,程序直接控制方式（programmed direct control):,由,用户进程,直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。,程序直接控制方式,接收到“Start”命令,接收和发送数据准备,准备完毕,标志触发器置“Done”,等待CPU来的下一条指令,CPU,发“start”命令,等待,执行下条指令开始数据传送,标志触发器为“Done”？,否,是,否,是,外围设备,程序直接控制方式,优点：控制简单，不需要较多硬件支持,缺点：,CPU和外围设备只能串行工作,CPU在一段时间内只能和一台外围设备进行数据交换，执行效率低,中断方式,中断方式：要求CPU和设备之间有相应的,中断请求线,，并且在设备控制器的控制状态寄存器设置相应的,中断允许位,。,I/O控制器1,CPU,I/O设备1,I/O控制器n,内存,I/O设备n,启动位,中断位,.,中断信号,启动,控制状态寄存器,数据缓冲寄存器,中断处理过程,设备,接收CPU发来的Start指令,缓冲寄存器满吗,？,控制器发送中断信号,CPU,向设备发送Start指令,中断允许位置1,其他进程执行,中断处理,被中断进程执行,收到中断信号？,中断控制方式,否,是,否,是,中断请求线,中断方式,优点：,与程序直接控制方式相比，使CPU的利用率大大提高,支持多道程序和设备的并行操作,缺点：,由于中断次数较多，处理中断将耗去大量CPU处理时间,在,并行操作,情况下，中断次数急剧增加可能造成CPU无法响应中断而出现数据丢失现象。,外围设备速度很高，导致CPU来不及取走数据而丢失,DMA方式,DMA方式：在外围设备和内存之间开辟直接数据交换通道。,DMA方式挪用CPU的一个工作周期把数据缓冲寄存器中的数据直接送到地址寄存器所指向的内存区域中,DMA方式传送结构,DMA控制器,内存,CPU,I/O设备,中断位,启动位,控制状态寄存器,数据缓冲寄存器,传送字节数寄存器,内存地址寄存器,start,Int,数据,DMA数据传送处理过程,DMA控制器接收到Start,启动设备准备数据,将数据送到数据缓冲寄存器,将缓冲寄存器的内容送入内存,改变传送字节数寄存器和内存地址寄存器的内容,传送字节数0？,发中断信号停止I/O 操作,发Start指令,设置相应寄存器,允许中断位,当进程等待，,调度其他进程运行,被调度的进程执行,接收到中断信号？,进行中断处理,设备,CPU,否,是,DMA方式的特点,DMA方式与中断方式的主要区别：,中断方式是在数据缓冲寄存器满之后发中断要求,CPU,进行中断处理,DMA,方式则是在所要求转送的数据块全部传送结束时要求,CPU,进行中断处理,缺点：,当外围设备管理的控制越来越复杂，多个,DMA,控制器同时使用显然会引起内存地址的冲突并使控制复杂化,通道控制方式,通道定义：,通道是一个,独立于,CPU的专管输入输出控制的,处理机,，它控制设备与内存,直接,进行数据交换。,有自己的,通道指令,，这些通道指令受CPU启动，并在操作结束时向CPU发中断信号,通道指令：通道指令一般包含交换数据在内存中的位置、传送方向、数据块长度以及被控制的I/O设备的地址信息等,通道方式数据传送结构,CPU,内存,字节多路通道,数组多路通道,选择通道,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,I/O控制器,终端,终端,终端,磁带机,磁带机,磁盘机,磁盘机,通道控制方式处理过程,通道接收到Start,读出内存中通道指令,设置I/O控制寄存器中的状态寄存器,设备根据通道指令，发送数据,传送字节数0？,发中断信号停止I/O 操作,发Start指令,指明I/O操作,设备号和对应通道,当进程等待，,调度其他进程运行,被调度的进程执行,接收到中断信号？,进行中断处理,设备,CPU,否,是,否,是,通道方式传输数据的特点,通道方式与DMA方式的区别：,在DMA 方式中，数据的传送方向、存放数据的内存起始地址以及传送数据块长度等都由CPU控制,在通道方式中，这些都由专管输入输出的硬件通道来完成。,DMA方式中，每台设备都至少有一个DMA控制器与之相对应,通道方式可以做到一个通道控制多台设备与内存进行数据交换，从而减轻了CPU的工作负担。,本课总体纲要,设备管理概述,数据传输控制方式,中断技术,中断技术（1）,中断：指计算机在执行期间，系统内发生任何,非正常,的急需处理的事件，使CPU暂时中断当前正在执行的任务而转去执行相应的事件处理程序，处理完毕后再返回原来被中断处继续执行。,中断源：引起中断发生的事件,中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号。,中断响应：CPU收到中断请求后转到相应的事件处理程序。,中断技术（2）,开中断：CPU内部处理机状态字PSW的中断允许位可以设置使CPU接收中断或禁止中断，接收中断称为开中断。,关中断：设置PSW中断允许位，禁止中断，称为关中断。,中断屏蔽：指再中断请求产生后，系统使用软件方式有选择的封锁部分中断而允许其余部分中断仍能得到响应。,有的中断不允许关中断和中断屏蔽，如电源调电中断。,中断技术（3）,根据中断源产生的条件,可以分为：,外中断：,来自处理机和内存外部的中断。,I/O中断，外部信号中断，定时器中断以及调试中断,内中断：,处理机和内存内部产生的中断，内中断一般也称为陷阱（trap）,地址非法、校验错、页面失效、存取访问控制错，除零错等。,中断技术（4）,外中断与内中断的区别：,陷阱通常由处理机正在执行的现行指令引起，中断是由与现行指令无关的中断源引起的,陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用，而中断处理程序提供的服务则不是为当前进程的,CPU 在执行完一条指令之后，下一条指令开始之前响应中断，而在一条指令执行中也可以响应陷阱,中断技术（5）,硬中断：中断和陷阱都可以看作硬中断,软中断：是通信进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式。,软中断与硬中断的相同之处：,中断源发出中断请求或软中断信号后，CPU或接收进程在,适当时机,自动进行中断处理或完成软中断信号所对应的功能。,中断向量表：各系统默认的知名中断类型的处理程序地址表。,中断技术（6）,判断中断响应文件,关中断,保存被中断现场,分析中断原因转中断处理子程序,执行中断处理子程序,恢复现场,开中断,返回中断点,系统发生中断的种类,进程调度中断,时钟中断,电源失效和故障中断,设备中断,课堂作业,通道又称为I/O处理机，它用于实现 之间的信息传输,内存和外设,CPU和外设,内存和外存,CPU和外存,按信息交换单位分类，可以将设备分为几类？,常用的I/O控制方式有几种？各有什么优缺点？,总结,设备管理概述,数据传输控制方式,中断技术,