第六章----设备管理

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I/O系统的组成

 

包括：

需要用于输入、输出和存储信息的设备；

需要相应的设备控制器；

控制器与CPU连接的高速总线；

有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

 

 

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关于设备管理

1. 管理对象：
   • I/O设备和相应的设备控制器（I/O系统组成）
2. 基本任务：
   • 完成用户提出的I/O请求，
   • 提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。
   • 为更高层进程方便使用设备提供手段

 

第6章 设备管理

1. I/O系统的功能、模型和接口
2. I/O设备和设备控制器
3. 中断机构和中断处理程序
4. 设备驱动程序
5. 与设备无关的I/O软件
6. 用户层的I/O软件
7. 缓冲区管理
8. 磁盘存储器的性能和调度

知识点

 

1. I/O系统的组成
2. I/O系统的软件层次
   • 中断处理过程
   • I/O控制方式
   • 缓冲管理、设备分配、设备处理
3. 磁盘调度

 

1. I/O系统的基本功能及模型

1)主要功能：

1. 1. 隐藏物理设备细节，方便用户

用户使用抽象的I/O命令即可

1. 1. 实现设备无关性，方便用户

用户可用抽象的逻辑设备名来使用设备，同时也提高了OS的可移植性和易适应性。

1. 1. 提高处理机和设备的并行性，提高利用率：缓冲区管理
   2. 对I/O设备进行控制：控制方式、设备分配、设备处理
   3. 确保对设备正确共享：虚拟设备及设备独立性等
   4. 错误处理

2)I/O/系统的层次结构和模型

1. 层次结构：系统中的设备管理模块分为若干个层次
2. 层间操作：下层为上层提供服务，完成输入输出功能中的某些子功能，并屏蔽功能实现的细节。

I/O软件的分层

 

1. ①用户层软件
   • 实现与用户交互的接口，用户可直接调用在用户层提供的、与I/O操作有关的库函数，对设备进行操作。
2. ②设备独立软件
   • 用于实现用户程序与设备驱动器的统一接口、设备命名、设备的保护以及设备的分配与释放等，同时为设备管理和数据传送提供必要的存储空间。
3. ③设备驱动程序
   • 与硬件直接相关，用于具体实现系统对设备发出的操作指令，驱动I/O设备工作的驱动程序。
4. ④中断处理程序
   • 用于保存被中断进程的CPU环境，转入相应的中断处理程序进行处理，处理完后再恢复被中断进程的现场后，返回到被中断进程。

 

 

I/O软件系统的层次

1. 中断处理程序
   • 处于I/O系统的底层，直接与硬件进行交互
2. 设备驱动程序
   • 处于次底层，是进程和控制器之间的通信程序
   • 功能：将上层发来的抽象I/O请求，转换为对I/O设备的具体命令和参数，并把它装入到设备控制其中的命令和参数寄存器中
3. 设备独立性软件
   • 包括设备命名、设备分配、数据缓冲等软件

 

I/O系统接口

1. 在I/O系统与高层接口中，根据设备类型的不同，又进一步分为若干个接口。主要包括：
   • 块设备接口
   • 流设备接口
   • 网络通信接口
2. 块设备
   • 数据的存取和传输都是以数据块为单位的设备。基本特征是传输速率较高、可寻址。磁盘设备的I/O常采用DMA方式。
3. 特点
   • 隐藏了磁盘的二维结构：块设备接口隐藏了磁盘地址是二维结构的情况：每个扇区的地址需要用磁道号和扇区号来表示。
   • 将抽象命令映射为低层操作：块设备接口将上层发来的抽象命令，映射为设备能识别的较低层具体操作。   
4. 字符设备：
   • 数据的存取和传输是以字符为单位的设备。如键盘、打印机等。基本特征是传输速率较低、不可寻址，常采用中断驱动方式。
5. get和put操作：
   • 由于字符设备是不可寻址的，因而对它只能采取顺序存取方式。（用户程序）获取或输出字符的方法是采用get和put操作。
6. in-control指令：
   • 因字符设备的类型非常多，且差异甚大，系统以统一的方式提供了一种通用的in-control指令来处理它们（包含了许多参数，每个参数表示一个与具体设备相关的特定功能）。

 

1. 通过某种方式，把计算机连接到网络上。
2. 操作系统必须提供相应的网络软件和网络通信接口，使得计算机能通过网络与网络上的其它计算机进行通信，或上网浏览。

 

1. 设备和设备控制器

I/O系统的组成

包括：

需要用于输入、输出和存储信息的设备；

需要相应的设备控制器；

控制器与CPU连接的高速总线；

有的大中型计算机系统，配置I/O通道；

 

 

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）
• 使用：存储设备、输入输出设备
• 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：打印机
  • 共享：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的色后备。磁盘。
  • 虚拟：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”。

 

I/O设备中的接口

1. 与控制器的接口有三种类型的信号
   • 数据信号线(进出数据转换、缓冲后传送)
   • 控制信号线(读\写\移动磁头等控制)
   • 状态信号线

 

 

2）设备控制器

1. 设备并不直接与CPU通信
2. 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。
3. 控制器是CPU与I/O设备之间的接口，作为中间人接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作，以使处理机脱离繁杂的设备控制事务。
4. 常作成接口卡插入计算机
5. 可编址，不同类
   1. 控制一个设备时只有一个地址，若连接多个设备则含有多个设备地址
   2. 管理的复杂性因不同设备而异，分为字符设备控制器、块设备控制器。

 

 

1. ①基本功能
   1. 接收和识别CPU命令（控制寄存器：存放命令和参数）
   2. 标识和报告设备的状态（状态寄存器）
   3. 数据交换（数据寄存器）
   4. 地址识别（控制器识别设备地址、寄存器地址。地址译码器）
   5. 数据缓冲（协调I/O与CPU的速度差距）
   6. 差错控制

 

1. ②组成

1. 设备控制器与处理机的接口
2. 设备控制器与设备的接口
3. I/O逻辑

 

µI/O逻辑

 

1. 通过一组控制线与处理机交互
2. 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。

1. 驱动程序把抽象的I/O命令转换成一系列具体的命令、参数等数据；如何将上述数据装入设备控制器的相应寄存器？从而触发I/O逻辑运作，实施对设备的控制。

①利用特定的I/O指令

• • 早期计算机中：每个控制寄存器分配一个I/O端口，用8或16位整数标记；设置一些特定I/O指令。
  • CPU寄存器 —> 控制器寄存器
    1.  io-store cpu-reg，dev-no，dev-reg
  • CPU寄存器 —>内存
    1. store cpu-reg，k
• 缺点：访问内存和设备需要两种不同指令

 

②内存映像I/O

• • 统一了对内存和对控制器的访问的方法，简化了I/O的编程。
• 编址不区分内存单元地址和设备控制器中的寄存器地址，都采用k。
  • 当k值处于0—n-1范围时，被认为是内存地址
  • 若k大于等于n时，被认为是某个控制器的寄存器地址。

 

③处理机与设备控制器间

1. 实现CPU与设备控制器之间的通信。
2. 共有三类信号线：
   • 数据线：数据线通常与两类寄存器相连接，第一类是数据寄存器；第二类是控制/状态寄存器。
   • 地址线
   • 控制线

 

* 微机I/O系统中的总线结构

1. 如图所示，计算机系统中的各部件，如CPU、存储器以及各种I/O设备之间的联系，都是通过总线来实现的。
2. 总线的性能用总线的“时钟频率”、“带宽”和相应的总线“传输速率”等指标来衡量。

 

 

3）I/O通道

①I/O通道设备的引入

1. 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）

1. 但当主机的外设很多时，CPU的负担仍然很重。
2. 在CPU和设备控制器之间增设一个硬件机构：“通道”
3. 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。
   • 通道形成通道程序，执行I/O操作，完成后向CPU发中断信号。

 

主要目的：

1. 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。
2. 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

 

②通道类型

1. 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：
   1. 字节多路通道
   2. 数组选择通道
   3. 数组多路通道

 

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：

 

1. 字节多路通道
   • 一个通道常通过多个子通道连接多个设备控制器
   • 多个设备，通过非分配型子通道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）

 

• 主通道扫描子通道速率足够快，子通道上的设备速率又不太高时，一般不丢失信息。
• 适用于并行、低速设备

 

1. 数组选择通道
   • 针对高速设备：分配型子通道
   • 设备利用子通道占用通道后，一段时间内一直独占，直至设备传送完毕释放。
   • 利用率低。
2. 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。

 

1. 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：

 

1. 中断机构和中断处理程序

 

              中断在操作系统中有特殊而重要的地位，没有它就不可能实现多道程序。

              中断是I/O系统最低的一层，也是设备管理的基础。

 

1. 中断简介

 

1. ⑴中断和陷入
   • 中断：CPU对I/O设备发来的中断信号的一种响应，中断是由外部设备引起的，又称外中断。
   • 陷入：由CPU内部事件所引起的中断，通常把这类中断称为内中断或陷入（trap）。
   • 中断和陷入的主要区别：是信号的来源。

 

1. ⑵中断向量表
   • 中断向量表：为每种设备配以相应的中断处理程序，并把该程序的入口地址，放在中断向量表的一个表项中，并为每一个设备的中断请求，规定一个中断号，它直接对应于中断向量表的一个表项中。

 

 

 

1. ⑶对多中断源的处理方式

①屏蔽（禁止）中断：

• • 所有中断都将按顺序依次处理。
  • 当处理机正在处理一个中断时，将屏蔽掉所有新到的中断，让它们等待，直到处理机已完成本次中断的处理后，处理机再去检查并处理。
  • 优点是简单，但不能用于对实时性要求较高的中断请求。

 

1. ②嵌套中断：
   • 中断优先级：系统根据不同中断信号源，对服务要求的紧急程度的不同，它们分别规定不同的优先级。
   • 当同时有多个不同优先级的中断请求时，CPU优先响应最高优先级的中断请求；
   • 高优先级的中断请求，可以抢占正在运行低优先级中断的处理机，该方式类似于基于优先级的抢占式进程调度。

 

 

 

1. 中断处理程序
2. 主要工作
   • ①进行进程上下文的切换
   • ②对处理中断信号源进行测试
   • ③读取设备状态
   • ④修改进程状态

 

1. 中断处理流程
   • 测定是否有未响应的中断信号
   • 保护被中断进程的CPU环境
   • 转入相应的设备处理程序
   • 中断处理
   • 恢复CPU的现场