第九章設備管理

9.1概述(ɡàishù)

9.2數據傳送控制方式

9.3中斷技術

9.4緩沖技術

9.5設備分配

精品資料19.1概述I/O的特點1.I/O性能經常成為系統性能的瓶頸 (1)CPU性能不等于系統性能 響應時間也是一個重要因素 (2)CPU性能越高，與I/O差距越大 彌補：更多的進程(jìnchéng) (3)進程(jìnchéng)切換多，系統開銷大精品資料22.操作系統龐大復雜的原因之一是：資源多、雜，并發(bìngfā)，均來自I/O外設種類繁多，結構各異輸入輸出數據信號類型不同速度差異很大3.理解I/O的工作過程與結構是理解操作系統的工作過程與結構的關鍵精品資料3設備(shèbèi)的分類1.按使用特性分存儲型設備(shèbèi)輸入型設備(shèbèi)（外設主機）輸出型設備(shèbèi)（主機外設）輸入輸出型設備(shèbèi)（交互型設備(shèbèi)）精品資料42.按數據組織分塊設備以數據塊為單位存儲、傳輸信息(xìnxī)如磁盤，磁帶字符設備以字符為單位存儲、傳輸信息(xìnxī)如鍵盤，打印機精品資料53.按外部設備(shèbèi)的從屬關系分系統設備(shèbèi)指操作系統生成時，登記在系統中的標準設備(shèbèi)（如終端、磁盤機等）用戶設備指在系統生成時，未登記在系統中的非標準設備。對于(duìyú)這類設備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統，由系統代替用戶實施管理。（如A/D，D/A轉換器，CAD所用專用設備）精品資料64.按資源分配角度分獨占設備在一段時間內只能有一個進程使用的設備，一般為低速I/O設備。（如打印機，磁帶等）共享設備在一段時間內可有多個(duōɡè)進程共同使用的設備，多個(duōɡè)進程以交叉的方式來使用設備，其資源利用率高。（如硬盤）精品資料7虛設備通過虛擬技術在一類設備上模擬另一類設備，常用共享設備模擬獨占設備，將一個獨占設備變換為基若干臺邏輯設備，供多個用戶(yònghù)可同時使用，被模擬的設備稱為虛設備目的：提高設備的利用率精品資料8設備管理的目標和任務按照用戶的請求，控制設備的各種操作，完成I/O設備與內存之間的數據交換2.保證在多道程序環境下，當多個進程競爭使用設備時，按一定策略(cèlüè)分配和管理各種設備，使系統能有條不紊的工作精品資料93.向用戶提供使用(shǐyòng)外部設備的方便接口，使用(shǐyòng)戶擺脫繁瑣的編程負擔方便性友好界面透明性用戶能屏蔽硬件細節而方便的使用(shǐyòng)設備，用戶申請使用(shǐyòng)設備時，只需要指定設備類型，而無須指定具體物理設備，系統根據當前的請求，及設備分配的情況，在相同類別設備中，選擇一個空閑設備，并將其分配給一個申請進程精品資料104.充分利用各種技術（通道(tōngdào)，中斷，緩沖等）提高CPU與設備、設備與設備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率并行性均衡性（使設備充分忙碌）5.保護設備傳送或管理的數據應該是安全的、不被破壞的、保密的精品資料119.2數據傳送控制方式I／O設備組成I／O設備一般由機械和電子兩部分組成把這兩部分分開處理，以提供更加模塊化，更加通用的設計1.物理設備機械部分是設備本身（物理裝置）2.設備控制器電子部分叫做設備控制器或適配器。完成設備與主機(zhǔjī)間的連接和通訊精品資料12

CPU外部設備控制邏輯電路控制寄存器狀態寄存器數據寄存器設備(shèbèi)控制器控制器和設備之間的接口(jiēkǒu)有三種類型的信號：1)數據信號：對輸入而言，設備發送給設備控制器；對輸出，則方向相反2)控制信號：設備控制器發送給設備的，規定設備執行的操作(讀、寫及其它如移動磁頭的信號)3)狀態信號：指示設備的當前狀態(讀、寫、讀完成及寫完成)精品資料13

外設與內存之間常用(chánɡyònɡ)的數據傳送控制方式：程序I/O(直接控制)方式中斷I/O方式DMA方式通道方式精品資料149.2.1循環I/O測試(cèshì)方式循環I/O測試方式又稱為程序查詢(cháxún)方式。完全用程序直接控制數據在CPU和外部設備之間的傳輸，即由CPU主動控制完成。當用戶程序需要數據時，通過CPU向設備控制器發出一條I/O命令，同時把狀態寄存器中的忙/閑標志busy置為1，Busy=1表輸入機尚未輸完到數據寄存器中。爾后CPU不斷循環測試busy,直至busy=0.CPU將數據寄存器的數據取出，送入內存指定單元中。接著，再啟動去讀下一個數據，并置busy=1.又稱忙-等待方式程序i/o指令啟動外設測試指令外設i/o完成了嗎？精品資料15缺點：(無中斷機構)1、CPU高速性與I/O設備的低速性，造成CPU的極大浪費(làngfèi)。2、不具有并行工作能力只適用于CPU速度慢，且外設較少的系統精品資料169.2.2程序中斷(zhōngduàn)控制方式1.程序中斷(zhōngduàn)方式

在硬件結構上，程序中斷方式要求CPU與I/O設備（或接口）之間有相應的中斷請求線.當用戶程序需要數據時，通過CPU向設備控制器發出一條I/O命令，然后立即返回繼續其他的任務。CPU和I/O并行操作。直到數據寄存器裝滿數據；發出中斷，取出數據到內存。重復以上過程，直至數據傳輸完成。精品資料17進程A程序I/O請求CPU執行I/O中斷處理程序－－－－－－－－－－－－－－－－－外設CPU指令啟動外設進程B程序--------------------12返回用戶進程I/O中斷請求返回程序中斷方式35CPU響應中斷4精品資料182.程序中斷(zhōngduàn)方式的優缺點：一般數據緩沖寄存較小，一次數據傳輸多次中斷。使得CPU忙于處理(chǔlǐ)中斷，耗費了大量的時間。多種外設，中斷次數劇增，造成中斷無法響應而丟失數據。改善了CPU的利用率，并使輸入，輸出和處理這三者更好地并行操作。

優點：缺點：精品資料195.2.3直接(zhíjiē)存儲器存取（DMA）方式由于程序中斷的控制方式不適用于大批量數據傳送，所以在I/O系統中引入了直接存儲器存取（DMA：DirectMemoryAccess）方式，簡稱為DMA方式。基本(jīběn)思想：在外設與內存之間開辟直接的數據交換通路。1．DMA控制器的組成（1）內存地址寄存器用于存放內存中要交換的數據地址。在DMA傳送前，通過程序將數據塊的初始地址送入該寄存器中，以后每交換一次數據，地址寄存器自動加1，形成下一次交換數據的地址。精品資料20精品資料21（2）傳送字節數計數器用于存放傳送數據塊的長度。在DMA傳送前，通過程序設置。每傳送一個(yīɡè)字節，字節數計數器內容自動減1，為0時表示此數據塊傳送完畢。（4）控制狀態寄存器該寄存器用于控制DMA的傳送，并對DMA請求信號和CPU響應(xiǎngyìng)信號進行協調和同步。（3）數據緩沖寄存器用于暫時存放每次傳送的數據。輸入時，數據由I/O設備傳送到該寄存器中，再通過數據總線傳入內存。輸出時，則正好相反。

DMA方式實際上采用了竊取總線控制權的方式進行傳送，CPU讓出總線控制權，不再訪問內存，DMA控制器得到總線控制權來控制外設與內存的數據傳送。精品資料222.DMA的傳送(chuánsònɡ)過程（1）進程要求設備輸入輸出時，CPU執行I/O指令，設置DMA控制器中的內存地址寄存器和傳送字節計數器，并把狀態寄存器中的中斷允許(yǔnxǔ)位置1，啟動設備。設備在準備好發送的數據后，DMA控制器發出DMA請求，申請內存和總線的控制權。（2)CPU響應DMA請求，讓出總線控制權。由DMA控制器得到內存和總線控制權。（3)要求I/O的進程進入阻塞態，等待I/O完成。（4)DMA控制器按照地址寄存器中的數據內存地址并通過數據緩沖寄存器，控制設備與內存之間直接交換數據。直到所要求的一批數據傳送完成，發出中斷請求。（5)CPU接收DMA中斷請求，轉入中斷處理，處理完成后，恢復等待的I/O的進程運行，或者重新調度。精品資料23DMA方式與中斷方式的主要區別：中斷方式是在數據緩沖寄存區滿后，發中斷請求，CPU進行中斷處理DMA方式則是在所要求傳送(chuánsònɡ)的數據塊全部傳送(chuánsònɡ)結束時要求CPU進行中斷處理，大大減少了CPU進行中斷處理的次數中斷方式的數據傳送(chuánsònɡ)是由CPU控制完成的而DMA方式則是在DMA控制器的控制下不經過CPU控制完成的。3．DMA方式(fāngshì)的優缺點I/O設備在硬件控制交換數據，CPU基本上不干預數據的傳送操作，降低了系統的復雜性，提高了I/O效率。優點：缺點：DMA方式竊取了總線控制權，使得CPU處理的效率下降。精品資料245.2.4通道的控制(kòngzhì)方式1.通道(tōngdào)結構通道（channel）又稱為I/O處理器，是獨立于CPU的專門負責數據輸入/輸出傳輸工作的處理機，對外部設備實現統一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進行控制，從而使輸入，輸出操作可與CPU并行操作。通道本身是一臺I/O處理器，它本身執行的命令稱為通道命令字(CCW:ChannelCommandWord)，簡稱為CCW。2.通道的工作方式精品資料25CCW命令格式一般包括：操作碼、數據傳輸內存地址、特征位、計數器(數據塊長度)例一個通道程序，從磁帶機上讀入兩條記錄，送入內存相應的單元(dānyuán)中。操作PR計數內存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write002501850Write11250720操作碼：規定了指令進行的操作，讀、寫及控制(kòngzhì)內存地址：標明字符送入內存(讀操作)或從內存取出(寫操作)時的內存首址。通道程序結束位P：表通道程序是否結束。1為最后一條指令記錄結束標志位R：0表本指令與下一條通道指令所處理的數據同屬一個記錄。1表處理某記錄的最后一條指令。計數器：本條指令所操作數據字節數精品資料263.工作(gōngzuò)原理1)執行用戶程序，當遇到I/O請求時，可根據該請求生成通道程序放入內存（也可事先編好放入內存），CPU啟動通道工作;2)通道接收到“啟動I/O”指令后，取出第一條指令，同時向CPU發回答信號，使CPU可繼續執行其他程序，則通道獨立(dúlì)于CPU工作,開始執行通道程序，完成傳輸工作;3)當通道傳輸完成最后一條指令時，向CPU發I/O中斷，并且通道停止工作。CPU接收中斷信號，決定下一步做什么。精品資料27采用通道結構的計算機系統，主機，通道，控制器和設備之間采用四級連接，實施三級控制。通常(tōngcháng)，一個主機可以連接多個通道，一個通道可以連接多個控制器，一個控制器又可以連接同類型的多臺設備。有的系統還可以把一臺設備連接到幾個控制器，一個控制器連接到幾個通道上，實現多路交叉連接。精品資料284通道(tōngdào)的類型（1）字節(zìjié)多路通道適用于連接慢速的字符設備，如打印機，終端等I/O設備。他以字節交叉方式控制設備傳輸信息，當為一臺設備傳送一個字節后，立即轉去為另一臺設備傳送一個字節。（2）選擇通道

適用于連接高速I/O設備，如磁盤，磁帶。每次只能把通道

分配給一臺設備獨占使用，即使暫時出現空閑，也不允許其

他設備使用，直到傳送完成后才讓出子通道。（3）成組多路通道數據傳送是按成組（數據塊）方式進行的，首先為一臺設備執行一條通道命令，傳送一批數據，然后再選擇另一臺設備執行一條通道命令。

精品資料29通道(tōngdào)的類型成組多路通道快速設備1快速設備2快速設備3快速設備i選擇通道快速設備1快速設備2快速設備j慢速設備2慢速設備3字節多路通道以數據塊獨占方式控制設備慢速設備1以字節交叉方式控制設備傳輸信息1以數據塊分時方式控制設備傳輸信息32精品資料309.4緩沖技術1.緩沖技術的引入凡是數據到達和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術。在操作系統中采用緩沖是為了實現數據的I/O操作，以緩解CPU與外部設備之間速度不匹配的矛盾，提高資源利用率減少了I/O設備對處理器的中斷請求次數簡化了中斷機制(jīzhì),節省了系統開銷提高CPU與I/O設備之間的并行性精品資料312.緩沖區管理單緩沖:設備(shèbèi)與處理機之間設置一個緩沖器。雙緩沖：兩臺外設通信時，外設設置雙緩沖器多緩沖：多個緩沖區連接起來組成兩部分，一部分專門用于輸入，一部分專門用于輸出。緩沖池：多個緩沖區連接起來統一管理，既可用于輸入又可用于輸出。精品資料329.5設備分配設備分配與回收當某進程向系統提出I/O請求時，設備分配程序按一定策略(cèlüè)分配設備、控制器和通道，形成一條數據傳輸通路，以供主機和設備間信息交換.精品資料331.數據結構：設備控制(kòngzhì)塊DCB（設備控制(kòngzhì)表DCT）控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)塊COCB（控制(kòngzhì)器控制(kòngzhì)表COCT）通道控制(kòngzhì)塊CHCB（通道控制(kòngzhì)表CHCT）系統設備表SDT精品資料341）系統設備表SDT整個系統一張表，記錄系統中所有I/O設備的信息，表目包括：設備類型、設備標識符、進程(jìnchéng)標識符、DCT設備控制表指針等2）設備控制表DCT主要內容：設備類型、設備標識符、設備狀態、與此設備相連的COCT(