计算机操作系统（王永茂）第5章设备管理.pptVIP

2003年2月 第5章 设备管理 关于设备管理 计算机系统的一个重要组成部分是I/O系统。 该系统包括 实现信息输入、输出和存储功能的I/O设备 相应的设备控制器，有的大中型机还有I/O通道或I/O处理机。 基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O设备的利用率。 主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及设备独立性等。 I/O系统的软件体系结构 设备管理系统的任务 为用户提供一个统一的、友好的使用界面 负责管理系统中的各种设备 根据不同设备完成的实际操作，跟踪记录设备的各种不同状态，并处理该设备可能出现的各种错误 优化设备的调度，提高设备的利用率 5.1 I/O系统 5.1.1 I/O设备 5.1.2 设备控制器 5.1.3 I/O通道 5.1.1 I/O设备的类型 I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下： 按传输速率分类： 低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘） 按信息交换的单位分类： 块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制 字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制 按设备的共享属性分类： 独占设备：打印机 共享设备：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的设备。磁盘。 虚拟设备：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。 5.1.2 设备控制器 设备并不直接与CPU通信 计算机中的一个实体——“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。 控制器是CPU与I/O设备之间的接口，负责接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作。 基本功能 接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数） 标识和报告设备的状态（状态寄存器） 数据交换（数据寄存器） 地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器） 数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距） 差错控制 ?I/O逻辑 通过一组控制线与处理机交互，处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令。I/O逻辑对收到的命令进行译码。 CPU要启动一个设备时， 将启动命令发送给控制器； 同时通过地址线把地址发送给控制器 控制器的I/O逻辑对收到的地址和命令进行译码，再根据所译出的命令选择设备进行控制。 5.1.3 I/O通道 ①I/O通道设备的引入 设备控制器已大大减少CPU对I/O的干预（如承担了选择设备，数据转换、缓冲等功能） 但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。为此又在CPU和设备控制器之间增设一个机构：“通道” 主要目的： 建立更独立的I/O操作，解放CPU。 数据传送的独立 I/0操作的组织、管理及结束处理也尽量独立。 设置通道后 CPU只需向通道发送一条I/O指令即可不再干预后续操作。 通道根据命令，形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。 ②通道类型 实际上I/O通道是一种特殊的处理机： 指令类型单一，只用于I/O操作； 通道没有内存，它与CPU共享内存。 根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型： 字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道 字节多路通道 一个通道常通过多个子通道连接控制多个设备控制器。 多个设备以字节为单位交叉轮流使用主通道传输自己的数据。（图5-3） 数组选择通道 为了适用高速设备，设置分配型子通道 设备分配到通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。 利用率低。 数组多路通道 结合上述两种方式。含多个非分配型子通道。数据传送则按数组方式进行。 ③“瓶颈”问题 由于通道价格昂贵，致使数量较少，使它成为I/O系统的瓶颈，进而造成系统吞吐量的下降。如下例所示： 解决“瓶颈”问题最有效的办法便是增加设备到主机间的通路而不增加通道，如下图所示： 5.2 I/O控制方式 程序I/O方式 中断驱动I/O方式 直接存储器访问DMA（字节—块） I/O通道控制方式（组织传送的独立） 5.2.1 程序I/O方式 程序I/O方式 5.2.2 中断驱动I/O方式 CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令 然后立即返回继续执行原来的任务。设备控制器于是按照命令的要求去控制指定I/O设备。这时CPU与I/O设备并行操作。 I/O设备输入数据中，无需CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。从而提高了整个系统的资源利用率及吞吐量。 中断控制方式流程图 5.2.3 直接存储器访问DMA 方式 中断方式比程序I/O方式更有效，但仍以字（节）为单位进行I/O，每当完成一个字（节），控制器便要请求一次中断。 CPU还是存在频繁的中断处理操作。 DMA（Direct Memory Access）控制方式的引入 直接存储器访问方式。 ①该方式的特点