【操作系统课件】设备管理.ppt

第五章 设备管理 着重于管理的软件部分－设备驱动程序和中断处理程序 种类繁多的I/O设备 以信息交换的单位分类 块设备 字符设备 按设备的共享属性分类 独占设备 共享设备 虚拟设备 I/O系统中的基本概念 总线（ISA、PCI、SCSI、USB） 端口 设备控制器 PC机的I/O指令与I/O空间 IN指令将外部I/O设备的数据传入到AL、AX或EAX。 OUT指令传送AL 、AX或EAX的数据到外部的I/O设备。 IBM PC用16位端口地址访问它的I/O空间。PC的I/O空间放在I/O端口为0000H－03FFH的地方，但也有些适配卡使用的I/O地址可能超过03FFH。 IBM PC机提供了外部设备的抽象接口，并将其固化在BIOS（基本输入/输出系统）中。 设备控制器 在对设备的操作中，需要持续地注意设备地状态。如果软件想要直接控制设备，需要在操作中不间断地监控设备的详细操作状态。这种监控大多是简单地观察状态、提供详细命令、修正小的错误等。这就是设备控制器要做的第二件事（将设备连接到总线是第一件事） 接口设计的目标就是使软件能操作设备（经由控制器），并能使其行为与设备同步。 I/O控制方式 在CPU和设备之间完成数据交换，主要有三种方式 轮询 中断 DMA 应用程序内I/O与CPU的交迭执行 应用程序员希望单个的进程（线程）具有串行执行语义： …… read ( dev_ID, “%d”, x ); y= f(x); 读指令必须在下一条指令执行前完成。从进程的角度看，虚拟机要等候设备完成I/O操作后才能执行赋值语句。 多个线程间I/O与CPU的交迭执行 无论何时一个单线程执行I/O操作，它会将CPU让给另一个线程执行。 使用轮询的直接I/O 由CPU负责确定I/O操作何时完成，并在机器主存与设备控制器数据寄存器间进行数据传送。 CPU在向控制器发出一条I/O命令后，同时置busy位为1，然后CPU不断地循环检测busy位，直至busy位为0 空闲：软件可以放置一个命令到命令寄存器，激活设备。 新的I/O命令的出现会引起控制器将busy设为1（工作），并开始工作。利用数据寄存器完成数据的输入和输出，进程通过检查状态寄存器来检测操作状态。 当I/O操作完成后（成功或失败），设备控制器清除busy标志位，而置done标志位（完成） 。当完成读操作后，设备会将数据拷贝到数据寄存器；当完成写操作后，数据会从控制器的数据寄存器拷贝到设备中。 如果在写操作后，设备的标志位均为0，那么就可以写新数据到控制器的数据寄存器；如果是从设备读数据，软件从控制器读取数据后，控制器清done位，表明设备空闲。 中断I/O 中断请求（由设备与CPU的中断连线） 中断向量定位中断请求到对应的中断处理程序 中断优先级 可屏蔽中断与不可屏蔽中断 中断处理程序负责处理中断请求 中断机制可以用于实现 异常 系统调用 中断处理程序可以分为两个部分 Top half Bottom half DMA I/O 中断驱动I/O是以字节为单位进程I/O，DMA允许以较大的数据块为单位传输。 DMA控制器 数据交换是在设备与内存间直接完成，无需CPU中转。 I/O系统 一方面，I/O设备种类繁多，另一方面，I/O系统必须为用户提供简单、一致的I/O接口 解决问题的方法是，操作系统隐藏或抽象大多数设备操作的细节，为用户提供几种的设备类型的访问 块设备 字符设备 时钟 I/O设备管理器抽象 设备管理器被分为两部分 设备无关部分（设备管理的基础设施） 设备管理中的数据结构 缓冲区管理（buffering、caching） spooling（独占设备的共享技术） 错误处理 访问控制 设备相关部分 设备驱动程序 设备管理器的基础设施 基础设施使得OS可以提供一组公共的设备接口系统调用，并将对公共接口的调用转换到特定的设备驱动函数。是设备管理器的设备无关部分 缓冲 缓冲区可以缓和CPU和I/O设备间的速度不匹配的矛盾；减少CPU的中断频率，提高CPU和I/O设备间的并行能力。 单缓冲 双缓冲 循环缓冲 缓冲池 设备分配 当进程通过系统调用使用I/O设备时，设备分配程序按照一定的策略，将设备分配给请求用户。 设备分配的数据结构 分配策略（相关属性、算法、安全性分配） 设备分配是设备无关的。 设备独立性 应用程序独立于具体使用的物理设备。 逻辑设备和物理设备 增强设备分配的灵活性 易于实现I/O重定向 设备独立性软件 设备独立性软件 执行所有设备的公有操作： 设备的分配回收 逻辑设备到物理设备映射 设备保护 缓冲管理 差错控制 …… 向用户层软件提供统一的接口 I/O 接口 可重配置的设备驱动程序 Spooling 技术 设备处理方式 为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备