第五章_设备管理素材.ppt

操作系统 Operating System 教学目的 通过对本章地讲解是学生理解并掌握设备管理的功能、I/O控制方式、缓冲区管理、设备管理，以及磁盘存储管理。 本章重点： 输入输出控制方式 缓冲区的管理 设备分配和设备处理 磁盘调度 虚拟设备 本章难点： 对通道的理解 Spooling技术。 第5章 设备管理 §5.1 I/O系统 §5.2 I/O控制方式 §5.3 缓冲管理 §5.4 设备分配 §5.5 I/O软件 5.1 I/O系统 1.基本概念 I/O系统：在操作系统中负责管理输入输出设备的部分称为I/O系统。 I/O系统的基本功能：是为数据传输选择输入输出设备；在选定的输入输出设备和CPU（或主存）之间交换数据。 操作系统内核通过设备驱动程序与外部设备进行交互。驱动程序是设备与内核其他部分之间的唯一接口。 文件系统是对设备操作的组织与抽象，而设备操作则是对文件操作的最终实现。 2.I/O设备分类 (1)I/O端口（I/O port),即为连接到I/O总线上的设备的I/O地址。 例IBM PC 体系结构中的I/O地址空间，一共有65536个8位的I/O端口。CPU在执行指令时，使用地址总线选择所请求的I/O端口，使用数据总线在CPU寄存器和I/O端口之间传送数据。若I/O端口能被映射到内存物理地址空间，CPU和I/O设备之间的通信就可以通过使用对内存进行操作的汇编语言指令（如，mov、and、or等等）来实现。现代的硬件设备倾向于把I/O端口映射到内存物理地址空间。 为了实现起来方便，操作系统设计者把每个设备的I/O端口都组织成一组专用寄存器：控制寄存器、状态寄存器、输入寄存器、输出寄存器。 (2)I/O接口起翻译器的作用：把I/O端口中的值转换成设备所需要的命令和数据；检测设备状态的变化，并对设备状态寄存器（某一I/O端口）进行相应地更新。I/O接口通过一条IRQ线连接到可编程中断控制器上，以使它代表相应的设备发出中断请求。有两种类型的接口：专用I/O接口和通用I/O接口。 专用I/O接口:专用于特定的硬件设备。有时专用I/O接口与设备控制器处于同一块卡中。 通用I/O接口:是用于连接外部设备的。并口可用于连接打印机、可移动磁盘、扫描仪、备份设备、其他计算机等等。 (3)设备控制器的主要作用：对从I/O接口接收到的高级命令进行解释，并通过向设备发送适当的电信号序列强制设备执行特定的操作；对从设备接收到的电信号进行转换和适当地解释，并通过I/O接口修改状态寄存器的值。复杂的设备通常需要设备控制器来驱动，而较简单的设备可以没有设备控制器，如可编程中断控制器、可编程间隔定时器。 所有的PC机都包含DMAC（Direct Memory Access Controller）辅助处理器。DMA（直接内存访问）作为一种输入输出方式，主要用来连接高速外围设备，如磁盘、磁带等，控制数据在RAM和I/O设备之间传送。 §5.1.2 I/O系统的功能 1.概述 在计算机系统中，I/O设备是人机对话的界面和接口，而计算机系统的I/O设备种类繁多，千差万别。另外，CPU性能高，而I/O设备性能低，属于低速设备，因此I/O设备的性能常常成为系统性能的瓶颈。 用户对I/O设备的使用要求是方便、高效、安全和正确。I/O系统的功能也就应该在计算机硬件结构提供的既定设备范围及其连接模式下，完成用户对I/O设备的使用要求。 2.I/O系统的功能 (1)方便性：为了让用户能方便使用I/O设备，提供简便易用的对逻辑设备进行逻辑操作的抽象接口；实现抽象接口到物理接口的转化，即将高级逻辑操作转化为低级物理操作。 抽象接口除了掩蔽硬件细节外还要掩蔽依赖于硬件的软件技术细节。 设备抽象接口是由设备管理功能接口和文件系统功能接口共同提供的，更准确地说，设备抽象接口包含在文件系统统一接口中。 抽象接口使广义的设备独立性成为可能，向用户展示一个大大简化了的计算环境观点，同时，抽象接口也是提高效率技术的前提。 广义的I/O设备独立性是指整个设备管理功能的抽象接口，程序不关心物理设备的操作和组织细节，而只看到具有逻辑名称和逻辑性质的逻辑设备和逻辑操作，不关心具体I/O设备是哪一个具体设备或是哪一个文件，设备改变而程序不变，不必修改，也不必重新编译。用户不必关心设备的改变，这一事实所带来的问题应该由操作系统来管理。所使用的设备的变化对程序是透明的。块设备的设备独立性是由文件系统的文件目录概念提供的。 (2)效率：非系统用户关心其程序的运行效率，系统用户关心系统的利用率；非系统用户不希望程序等待设备，系统用户不希望设备等待程序。 在现代操作系统中，已引入了大量的技术以提