第六章---设备管理

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1. 设备驱动程序

设备驱动程序——最了解设备控制器的人

              设备驱动程序是I/O系统的高层与设备控制器之间的通信程序，其主要任务：

• • 接收上层软件发来的抽象I/O要求，如read、write等命令；
  • 再把它转化为具体要求，发送给设备控制器，启动设备去执行。
  • 反方向，它也将由设备控制器发来的信号，传送给上层软件。

 

1.驱动程序的功能

 

1. (1)接收由与设备无关的软件发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求，转换为与设备相关的低层操作序列；
2. (2)检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的工作状态，传递与I/O设备操作有关的参数，设置设备的工作方式；
3. (3)发出I/O命令，如果设备空闲，便立即启动I/O设备，完成指定的I/O操作；如果设备忙碌，则将请求者挂在设备队列上等待；
4. (4)及时响应由设备控制器发来的中断请求，并根据其中断类型，调用相应的中断处理程序进行处理。

2.设备驱动程序的特点

 

1. (1)驱动程序是与设备无关的软件和设备控制器之间通信和转换的程序。
2. (2)驱动程序，与设备控制器和I/O设备的硬件特性，紧密相关。     
3. (3)驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。
4. (4)由于驱动程序与硬件紧密相关，因而其中的一部分必须用汇编语言编写。
5. (5)驱动程序应允许可重入，一个正在运行的驱动程序常会在一次调用完成前被再次调用。

 

3.设备处理方式

 

1. 具体分类
   • (1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。这种方式比较适合于较大的系统；
   • (2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。也可以设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中的输入或输出操作；
   • (3)不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备驱动程序，供用户或系统进程调用。这种方式目前用得较多。

 

一次I/O由“驱动程序+中断程序”一块处理完成

 

1. 驱动程序的处理过程
2. 中断处理程序的处理过程
3. 阅读课本说明，画流程图。

 

1.   I/O控制方式

1. 程序I/O方式
2. 中断驱动I/O方式
3. 直接存储器访问DMA（字节—块）
4. I/O通道控制方式（组织传送的独立）
5. 宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。

1）程序I/O方式

cpu对I/O设备的控制采取程序I/O方式，或称忙—等待方式

向控制器发送一条I/O指令；启动输入设备输入数据；把状态寄存器busy=1。

然后不断测试标志。为1：表示输入机尚未输完一个字，CPU继续对该标志测试；直到为0：数据已输入控制器数据寄存器中。

CPU取控制器中的数据送入内存单元，完成一个字的I/O 。

高速CPU空闲等待低速I/O设备，致使CPU极大浪费。

注：也称作程序查询方式或轮询方式。

 

2）中断驱动I/O方式

1. CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令
2. 然后立即返回继续执行任务。
3. 设备控制器按照命令的要求去控制指定I/O设备。
4. 这时CPU与I/O设备并行操作。
5. 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。
6. 但cpu真的不需要干预么？

 

1. 中断方式比程序I/O方式更有效
2. 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。
3. CPU虽然可与I/O并行，但效率不高，存在频繁的中断干扰。
4. 改进：
   • CPU下指令通知控制器完成一块数据的I/O，控制器完成后才发中断，而不是每个字节都要向CPU发中断；
   • 多字节传输入内存过程不需要CPU搬运，由控制器控制完成（所以称直接存储器访问）——DMA（Direct Memory Access）控制方式引入

 

3）直接存储器访问DMA 方式

①该方式的特点是：

1. 数据传输的基本单位是数据块；
2. 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者直接从内存进设备；不需要CPU操作。
3. CPU干预进一步减少：仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。

     可见DMA方式又是成百倍的减少了CPU对I/O的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。

 

②DMA控制器的组成

 

1. DMA控制器由三部分组成：

1. 主机与DMA控制器的接口；
2. DMA控制器与块设备的接口；
3. I/O控制逻辑。

  如下页图。

 

DMA控制器中的寄存器

1. 为实现主机与控制器之间块数据的直接交换，必须设置如下四类寄存器：

1. 数据寄存器DR：暂存设备到内存或从内存到设备的数据。
2. 内存地址寄存器MAR：它存放把数据从设备传送到内存的起始的目标地址或内存原地址。
3. 数据计数器DC：存放本次CPU要读或写的字（节）数。
4. 命令/状态寄存器CR：用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制和状态信息。

 

③DMA工作过程

 

1. CPU先向磁盘控制器发送一条读命令。
2. 该命令被送到命令寄存器CR中。
3. 同时发送数据读入到内存的起始地址，该地址被送入MAR中；
4. 要读数据的字数则送入数据计数器DC中；
5. 将磁盘中的数据原地址直接送入DMA控制器的I/O控制逻辑上，按设备状态启动磁头到相应位置。
6. 启动DMA控制器控制逻辑开始进行数据传送
   • DMA控制器读入一个数据到数据寄存器DR中，然后传到内存MAR地址中；
   • 接着MAR+1,DC-1，判断DC是否为0,如否，继续，反之控制器发中断请求，传送完毕。

 

4）I/O通道控制方式

1. DMA适用于读一个连续的数据块；
   • 如一次读多个数据块到内存不同区域，须由CPU分别发送多条I/O指令、进行多次DMA中断处理。
2. 再进一步减少CPU的干预（减少中断）， 引入通道。
   • 实现对一组数据块的读（写）及有关的控制和管理为单位的干预。
3. 此时，CPU只需发一条I/O指令，给出通道程序的首地址及要访问设备即可。

1. * CPU、通道和I/O设备三者的并行操作通道是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作“通道”。

，提高整系统资源利用率。

µ通道程序

1. 通道 通过执行通道程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。
2. 通道程序由一系列通道指令构成。

CPU指令àà设备驱动程序解读à通道程序àà通道

1. 通道指令一般包含下列信息：

1. 操作码。规定指令所执行的操作。
2. 内存地址。
3. 计数。表示本指令所要操作的字节数。
4. 通道程序结束位。用以表示程序是否结束。
5. 记录结束标志。表示该指令是否与下条指令有关。

 

1. 与设备无关的I/O软件
2. 设备独立性的基本含义：
   • 指应用程序中所使用的设备，不局限于使用某个具体的物理设备，也称为设备无关性。
   • 为了实现设备独立性，在设备驱动程序之上设置一层软件，称为与设备无关的I/O软件，或设备独立性软件。
   • 设备无关的软件是I/O系统最高层软件，但它和其下的设备驱动程序之间的界限，将随操作系统和设备的不同而有所差异。

【µ设备独立性（无关性）】
                      —— Device Independence

1. 用户编程时所用的设备名（逻辑上的）与实际物理设备无关；

好处：

1. 设备分配时的灵活性

       3个物理设备（如打印机），程序中申请一台打印机，执行时不拘泥必须是某台（如第2个）打印机

1. 易于实现I/O重定向

       指用于I/O操作的设备可以更换（重定向），而不必改变应用程序。 程序调试、运行中的“打印”，可通过修改逻辑设备表的显示终端，实现不同时候的不同的设备使用。

逻辑设备名到物理设备名的映射

 

设备分配。

 

1. 多道环境下，系统中设备是所有进程共享的。要防止无序竞争，提高外设资源的利用率。需由OS进行统一、合理的设备分配。

1）数据结构

2）设备分配需考虑的因素

3）设备的分配过程

 

1. 设备分配中的数据结构

 

1. 记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构：
   • 设备控制表
   • 控制器控制表
   • 通道控制表
   • 系统设备（总）表

• 设备控制表（DCT）
• 系统为每一设备都配置一张
• 记录本设备的情况。

 

 

2）设备分配需考虑的因素

1. 设备固有属性：独占、共享、独占但可虚拟。根据属性采取互斥、次序调度、虚拟等不同分配策略。
2. 设备分配算法（对不同进程的设备请求序列，如何进行选择），常采用两种：
   • FCFS
   • 优先级高者优先
3. 设备分配的安全性：进程开始I/O后就阻塞直到I/O完成。不“请求和保持”（安全的）；允许连续I/O请求，是不安全的，此类分配方式需进行安全性检查。
4. 设备独立性
   • 用户IO请求中使用逻辑名申请某类设备，实际物理名称是系统根据设备类型分析分配后才确定的。

3）独占设备的分配过程

1. 基本分配步骤（一个有通道的例子）：

1. 分配设备：
   • 根据请求设备名，查找SDT，找到DCT；
   • 状态、安全性等因素都可能导致本申请进程阻塞，挂入DCT等待队列中。
2. 分配控制器
   • 通过1步分配设备后，从DCT找到COCT；
   • 检查COCT状态字，若忙碌，进程PCB挂到其等待队列
3. 分配通道
   • COCT找到CHCT
   • 判断状态，…

当上述三步都通过后，才可启动设备进行数据传输

 

• 设备分配程序的改进细节

1. 增加设备的独立性
   • 进程使用逻辑设备名提出I/O请求。
   • 系统从SDT中依次找下去，直到找到一个该类设备中空闲可用的进行分配。
2. 考虑多通路情况
   • 控制器、通道也是反复查找，直到找到一条通路。