操作系统设计与实现(第三章).ppt

操作系统设计与实现 ****发展历史 第一代用键盘和打印机 第二代用鼠标和调制解调器（俗称“猫”） 第三代用手写笔和扫描仪等 另外，还有众多的专业领域的设备。 ****外部设备分类 1.按使用特性分 存储型设备 输入型设备（外设?主机） 输出型设备（主机?外设） 输入输出型设备 3.按外部设备的从属关系分 系统设备 指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备 （如终端、打印机、磁盘机等） 4. 按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁带等） 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备 （将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率） 5.从程序使用角度分 逻辑设备 物理设备 2.向用户提供使用外部设备的方便接口，使用户摆脱繁琐的编程负担 方便性 友好界面 透明性 4. 保证在多道程序环境下，当多个进程竞争使用设备时，按一定策略分配和管理各种设备，使系统能有条不紊的工作 用户申请使用设备时，只需要指定设备类型，而无须指定具体物理设备，系统根据当前的请求，及设备分配的情况，在相同类别设备中，选择一个空闲设备，并将其分配给一个申请进程 *****设备管理的任务 按用户需求提出的要求接入外部设备，系统按一定算法分配和管理控制，而用户不必关心设备的实际地址和控制指令. 尽量提高输入输出设备的利用率，例如，发挥主机与外设以及外设与外设之间的真正并行工作能力. *****设备管理的功能 设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型，采用一定的分配算法，选择一条数据通路 3.1 I/O硬件原理 I/O设备对不同的人有不同的理解，设计硬件的人员和对硬件编程的人员以及用户都有不同的观点和见解，我们主要分析如何对这些设备编程控制，更好地使设备之间协调工作，即主要从程序员的角度来分析它。 1.设备与主机间最基本的连接方式 四个要素： 设备接口形式 I/O指令形式 I/O地址空间分配及译码 连线问题 (1)设备接口形式 * 端口地址译码 * 按照主机与设备的约定格式和过程接受或发送数据和信号 计算机 设备 设备 计算机 (2) I/O指令形式与I/O地址是相互关联的，主要有两种形式： 内存映像I/O模式 I/O专用指令 进一步改善： *使CPU利用率尽可能不被I/O降低，使CPU脱离I/O的负担 * 提高I/O本身的绝对速度 * 减少或缓解速度差距 * 使CPU不等待I/O * 使CPU尽可能摆脱I/O 2.总线 将计算机系统中的各个子系统（CPU、内存、外设等）相互连接，且连接是共享的。 好处：低成本（一线多用） 灵活性（易于增加设备 便于两个计算机系统之间共享外设） 总线的缺点： 本身形成了通讯瓶颈，限制I/O吞吐量 总线分类： 数据总线、地址总线、控制总线 DMA（direct memory access） 数据在内存与I/O设备间的直接成块传送 CPU在开始时向设备发“传送一块”命令，结束时进行相应处理，实际操作由DMA硬件直接完成 例如：对磁盘进行访问 不用DMA时，磁盘如何读：首先，控制器从磁盘驱动器串行地一位一位地读一个块，直到将整块信息放入控制器的内部缓冲区中。其次，它做个校验计算，以核实没有读错误发生。然后控制器产生一个中断。CPU响应中断，控制转给操作系统。当操作系统开始运行时，它重复地从控制器缓冲区中一次一个字节或一个字地读这个磁盘块的信息，并将其送入内存中 采用DMA方式时，允许DMA控制器接管地址线的控制权，直接控制DMA控制器与内存的数据交换。从而使磁盘设备与存储器之间的数据传送不需要CPU介入，因而减轻了CPU负担； 当采用DMA时，除向控制器提供要读数据块的磁盘地址外，还要向控制器提供两个信息：数据块送往内存的起始地址和要传送的字节数。 当DMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时，每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，DMA控制器取代CPU，接管地址总线的控制权，并按照DMA控制器中的存储器地址寄存器内容把数据送入相应的内存单元中。然后，DMA硬件自动地把传送字节计数器减1，把存储器地址寄存器加1，DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数器为“0”时，向CPU产生一个中断信号。当操作系