操作系統(tǒng)課件：9-設(shè)備管理 (6h)

1、操作系統(tǒng)：設(shè)備管理本章主要內(nèi)容設(shè)備1數(shù)據(jù)傳送控制方式2中斷技術(shù)3緩沖技術(shù)4設(shè)備分配5I/O進(jìn)程控制69.1 引言設(shè)備的類別9.1 引言設(shè)備管理的功能和任務(wù)設(shè)備管理是對(duì)計(jì)算機(jī)I/O管理，其主要任務(wù)有：選擇和分配I/O設(shè)備以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸操作；控制I/O設(shè)備和CPU(或內(nèi)存)之間交換數(shù)據(jù)；為用戶提供透明接口，使得用戶在編制應(yīng)用程序時(shí)不必涉及具體設(shè)備。 提高設(shè)備和設(shè)備之間、CPU和設(shè)備之間，以及進(jìn)程和進(jìn)程之間的并行操作度，以便操作系統(tǒng)獲得最佳效率。9.1 引言設(shè)備管理的功能和任務(wù)由其功能可以看出，設(shè)備管理程序的功能：提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口：將進(jìn)程要求轉(zhuǎn)達(dá)給設(shè)備管理程序。進(jìn)行設(shè)備分配：分配硬件資源給

2、請(qǐng)求的進(jìn)程，并將未分到設(shè)備的進(jìn)程放入等待隊(duì)列。實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU等之間的并行操作：完成設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸工作。進(jìn)行緩沖區(qū)管理：進(jìn)行緩沖區(qū)分配、釋放及有關(guān)的管理工作。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式設(shè)各管理的主要任務(wù)之一是數(shù)據(jù)傳送控制方式的選擇。1.選擇和衡量控制方式有如下幾條原則：數(shù)據(jù)傳送速度足夠高，不丟失數(shù)據(jù)；系統(tǒng)開銷小、所需的處理控制程序少；能充分發(fā)揮硬件資源的能力，使得I/O設(shè)備盡量忙，而CPU等待時(shí)間少。2.外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的常用數(shù)據(jù)傳送控制方式有四種程序直接控制方式 中斷控制方式DMA方式通道方式9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式程序直接控制方式程序直接控制方式(programmed

3、 direct control)就是由用戶進(jìn)程直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間的信息傳送。這種方式控制者都是用戶進(jìn)程。外圍設(shè)備接收到start命令做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備標(biāo)志出發(fā)器置“Done”等待CPU來(lái)的下條指令準(zhǔn)備完畢？否是CPU發(fā)start命令執(zhí)行下條指令傳數(shù)據(jù)等待設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器為Done？是否9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式進(jìn)程直接控制方式的缺點(diǎn)：(1) CPU和外圍設(shè)備只能串行工作。(2) CPU在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息， 從而不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的并行工作。(3) 無(wú)法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備或其他硬件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷方式中斷方式（interrupt）被用

4、來(lái)控制外圍設(shè)備和內(nèi)存與CPU之間的數(shù)據(jù)傳送。這種方式要求CPU與設(shè)備（或控制器）之間有相應(yīng)的中斷請(qǐng)求線，而且在設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器的相應(yīng)的中斷允許位。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷方式處理過程設(shè)備接收到CPU發(fā)來(lái)的start指令準(zhǔn)備數(shù)據(jù)并將其置入緩沖寄存器控制器發(fā)送中斷信號(hào)緩沖寄存器滿嗎？ 否CPU向設(shè)備發(fā)start指令將中斷運(yùn)行位置1調(diào)度其他進(jìn)程執(zhí)行中斷處理收到中斷信號(hào)？ 否執(zhí)行其他進(jìn)程被中斷進(jìn)程執(zhí)行9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷方式的缺點(diǎn)：由于在一次數(shù)據(jù)傳送過程中，發(fā)生中斷次數(shù)較多。這將耗去大量CPU處理時(shí)間。當(dāng)設(shè)備把數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)緩沖寄存器并發(fā)出中斷信號(hào)之后，CPU有足夠的時(shí)間在下一個(gè)（

5、組）數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖寄存器之前取走數(shù)據(jù)。如果外設(shè)的速度也非?？欤瑒t有可能造成數(shù)據(jù)緩沖寄存器的數(shù)據(jù)丟。DMA方式DMA方式 又稱直接存取(direct memory access)方式。其基本思想是在外圍設(shè)備和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通道。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式DMA方式的數(shù)據(jù)輸入處理過程：(1)當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU把內(nèi)存始址以及要傳送的字節(jié)數(shù)送入DMA控制器中的內(nèi)存地址控制器和轉(zhuǎn)送字節(jié)計(jì)數(shù)器；把控制狀態(tài)寄存器中斷允許位和啟動(dòng)位置1；啟動(dòng)設(shè)備輸入。(2)發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，調(diào)度程序調(diào)其他進(jìn)程占用CPU。(3)輸入設(shè)備不斷的挪用CPU工作周期。將數(shù)據(jù)緩沖寄存器中的數(shù)據(jù)源

6、源不斷的寫入內(nèi)存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式(4)DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時(shí)通過中斷請(qǐng)求線發(fā)出中斷信號(hào)，CPU在接收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序進(jìn)行善后處理。(5)中斷處理結(jié)束時(shí)，CPU返回被中斷進(jìn)程處執(zhí)行或被調(diào)度到新的進(jìn)程上下文環(huán)境中執(zhí)行。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式DMA處理過程9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式通道控制通道控制（channel control）方式與DMA方式相類似，也是一種以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式。與之不同的是，在DMA方式中數(shù)據(jù)傳送方向、存放數(shù)據(jù)內(nèi)存始址以及傳送的數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度等都是由CPU控制，而在通道方式中這些都是由專管輸入輸

7、出的硬件通道來(lái)進(jìn)行控制。9.2 數(shù)據(jù)傳送控制方式通道控制方式的數(shù)據(jù)輸入處理過程：當(dāng)進(jìn)程要求設(shè)備輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU發(fā)Start指令指明I/O操作、設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)通道。對(duì)應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來(lái)的啟動(dòng)指令Start之后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，設(shè)置對(duì)應(yīng)設(shè)備的I/O控制器中的控制狀態(tài)寄存器。設(shè)備根據(jù)通道指令的要求，把數(shù)據(jù)送往內(nèi)存中的指定區(qū)域。若數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，I/O控制器通過中斷請(qǐng)求線發(fā)中斷信號(hào)請(qǐng)求CPU做中斷處理。與DMA方式相同，即中斷處理結(jié)束后CPU返回被中斷進(jìn)程處繼續(xù)執(zhí)行。9.3 中斷技術(shù)中斷概念中斷(Interrupt)是指計(jì)算機(jī)在實(shí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生非尋常的或非預(yù)期的急需處理事件，使

8、得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前正在執(zhí)行的程序而轉(zhuǎn)去執(zhí)行響應(yīng)的事件處理程序。待處理完畢后又返回原來(lái)中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的程序執(zhí)行的過程。中斷源：引起中斷發(fā)生的事件被稱為中斷源。中斷請(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理信號(hào)。中斷響應(yīng)：CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序。禁止中斷（關(guān)中斷）：CPU內(nèi)部的處理機(jī)狀態(tài)字PSW的中斷允許位已被清除，不允許CPU響應(yīng)中斷。開中斷：PSW的中斷允許位的設(shè)置。中斷屏蔽：在中斷請(qǐng)求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷而允許不可屏蔽部分的中斷仍能得到響應(yīng)。9.3 中斷技術(shù)中斷的分類與優(yōu)先級(jí)根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件，中斷可分為：外中斷：外中斷時(shí)指來(lái)自處理機(jī)和內(nèi)存外

9、部的中斷，包括I/O設(shè)備發(fā)出的I/O中斷、外部信號(hào)中斷、各種定時(shí)器引起的時(shí)鐘中斷以及調(diào)試程序中設(shè)置的斷點(diǎn)等引起的調(diào)試中斷等。內(nèi)中斷：內(nèi)中斷主要指在處理機(jī)和內(nèi)存內(nèi)部產(chǎn)生的中斷。內(nèi)中斷一般稱為陷入(trap)或異常。操作系統(tǒng)對(duì)不同的中斷賦予不同的優(yōu)先級(jí)。為了禁止中斷或屏蔽中斷，處理機(jī)狀態(tài)字PSW中設(shè)有相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)。如果中斷源的優(yōu)先級(jí)高于PSW的優(yōu)先級(jí)，則CPU響應(yīng)該中斷源的中斷請(qǐng)求，反之，CPU屏蔽該中斷源的中斷請(qǐng)求。9.3 中斷技術(shù)中斷和陷阱的主要區(qū)別：(1) 陷阱由處理機(jī)正在執(zhí)行的現(xiàn)行指令引起，而中斷是由與現(xiàn)行指令無(wú)關(guān)的中斷源引起。(2) 陷阱處理程序提供的服務(wù)為當(dāng)前進(jìn)程所用，中斷處理提供的服

10、務(wù)不是為了當(dāng)前進(jìn)程。(3) CPU在執(zhí)行完一條指令之后，下一條指令開始之前響應(yīng)中斷，而在一條指令執(zhí)行中也可以響應(yīng)陷阱。(4) 在有的系統(tǒng)中，陷入處理程序被規(guī)定在各自的進(jìn)程上下文中執(zhí)行，而中斷處理程序則在系統(tǒng)上下文中執(zhí)行。9.3 中斷技術(shù)中斷技術(shù)邏輯時(shí)鐘中斷I/O中斷控制臺(tái)中斷硬件故障中斷程序性中斷中斷裝置在運(yùn)程序.。訪管指令。中斷處理程序9.3 中斷技術(shù)保存現(xiàn)場(chǎng)信息系堆恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)相應(yīng)處理程序分析中斷源取出中斷碼分辨何種系統(tǒng)調(diào)用取出訪管號(hào)保存現(xiàn)場(chǎng)信息嵌套中斷系堆恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)返回上層中斷切換進(jìn)程返回目態(tài)程序轉(zhuǎn)低級(jí)調(diào)度程序可以由用戶處理的中斷：浮點(diǎn)溢出、階碼下溢、除數(shù)為零等。這類錯(cuò)誤可由用戶自行處理，接

11、口延伸到用戶的編程語(yǔ)言，如BASIC，C，F(xiàn)ORTRAN等都有ON。GOTO 標(biāo)號(hào)（處理程序段）。如果用戶不處理，則操作系統(tǒng)按照標(biāo)準(zhǔn)處理方法去處理。處理邏輯如下：目態(tài)程序運(yùn)行時(shí)發(fā)生除數(shù)為零的中斷（或其他可由用戶處理的中斷）；PSW、PC壓入系統(tǒng)堆棧；系統(tǒng)中斷向量送入PSW、PC；執(zhí)行OS提供的中斷處理程序；看用戶是否有自己的處理程序；若無(wú)，繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)處理直至結(jié)束，彈出系統(tǒng)堆棧PSW、PC送入進(jìn)程狀態(tài)字和指令計(jì)數(shù)器，恢復(fù)目態(tài)程序運(yùn)行。若有，彈出系統(tǒng)堆棧PSW、PC，并將其壓入用戶堆棧；用戶處理段的環(huán)境和地址送入PSW、PC并返回目態(tài)；用戶處理段執(zhí)行；執(zhí)行完畢，遇RET指令彈出用戶堆棧的內(nèi)容送入P

12、SW、PC；返回目態(tài)進(jìn)程的中斷處繼續(xù)執(zhí)行。9.3 中斷技術(shù)自愿性中斷的處理這類中斷是用戶程序在目態(tài)執(zhí)行訪管指令而引起的。目的是要求系統(tǒng)為其提供服務(wù)。一般形式為：參數(shù)準(zhǔn)備指令；訪管服務(wù)指令；取返回值。匯編語(yǔ)言形式為：mov ah, xx;mov al, yy;int 21h;mov ds, ax;高級(jí)語(yǔ)言形式：x=35;printf (“x的值為：”，x);9.3 中斷技術(shù)軟中斷軟中斷：通信進(jìn)程之間用來(lái)模擬硬中斷的一種信號(hào)通信方式。軟中斷與硬中斷的比較：相同點(diǎn)：其中斷源發(fā)中斷請(qǐng)求或軟中斷信號(hào)后，CPU或接收進(jìn)程在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)自動(dòng)進(jìn)行中斷處理或完成軟中斷信號(hào)所對(duì)應(yīng)的功能。不同點(diǎn)：接收軟中斷信號(hào)的進(jìn)程

13、不一定正好在接收時(shí)占有處理機(jī)，而相應(yīng)的處理必須等到該接收進(jìn)程得到處理機(jī)之后才能進(jìn)行。9.3 中斷技術(shù)中斷處理過程 1 CPU檢查響應(yīng)中斷的條件是否滿足。2 如果CPU響應(yīng)中斷，則CPU關(guān)中斷，使其進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)。3 保存被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)。4 分析中斷原因，調(diào)用中斷處理子程序。在多個(gè)中斷請(qǐng)求同時(shí)發(fā)生時(shí)，處理優(yōu)先級(jí)最高的中斷請(qǐng)求。5 執(zhí)行中斷處理子程序。對(duì)陷阱來(lái)說(shuō)，在有些系統(tǒng)中則是通過陷阱指令向當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程發(fā)軟中斷信號(hào)后調(diào)用對(duì)應(yīng)的處理子程序執(zhí)行。6 退出中斷，恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)或調(diào)度新進(jìn)程占據(jù)處理機(jī)。7 開中斷，CPU繼續(xù)執(zhí)行。 判斷中斷響應(yīng)條件關(guān)中斷保存被中斷現(xiàn)場(chǎng)分析中斷原因轉(zhuǎn)中斷處

14、理子程序恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)開中斷返回中斷點(diǎn)9.4 緩沖技術(shù) 緩沖的引入引入緩沖的主要原因?yàn)橐韵聨c(diǎn)：1. 改善CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾2. 降低對(duì)CPU的中斷頻率，放寬對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制3. 提高 CPU和 IO設(shè)備之間的并行性根據(jù)I/O控制方式，緩沖的實(shí)現(xiàn)方法有兩種:一種是采用專用硬件緩沖器一種是在內(nèi)存劃出一個(gè)具有n個(gè)單元的專用緩沖區(qū)，以便存放輸入/輸出的數(shù)據(jù)。內(nèi)存緩沖區(qū)又稱軟件緩沖。9.4 緩沖技術(shù)緩沖的種類根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的緩沖器的個(gè)數(shù)，可把緩沖技術(shù)分為：?jiǎn)尉彌_:在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖器。 雙緩沖：解決兩臺(tái)外設(shè)、打印機(jī)和終端之間的并行操作問題的辦法是設(shè)置雙緩沖。多緩沖：是把多個(gè)緩

15、沖區(qū)連接起來(lái)組成兩部分，一部分專門用于輸入，另一部分專門用于輸出的緩沖結(jié)構(gòu)。緩沖池：把多個(gè)緩沖區(qū)連接起來(lái)統(tǒng)一管理，既可用于輸入又可用于輸出的緩沖結(jié)構(gòu)。 9.4 緩沖技術(shù)緩沖池的結(jié)構(gòu) 緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成。而一個(gè)緩沖區(qū)由兩部分組成：一部分是用來(lái)標(biāo)識(shí)該緩沖器和用于管理的緩沖首部，另一部分是用于存放數(shù)據(jù)的緩沖體。對(duì)緩沖池的管理是通過對(duì)緩沖首部進(jìn)行的。緩沖首部 9.4 緩沖技術(shù)緩沖池的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)把各緩沖區(qū)按其使用狀況連成三種隊(duì)列：空白緩沖隊(duì)列em，其隊(duì)首指針為F(em)，隊(duì)尾指針為L(zhǎng)(em)；裝滿輸入數(shù)據(jù)的輸入緩沖隊(duì)列in，其隊(duì)首指針為F(in)，隊(duì)尾指針為L(zhǎng)(in)；裝滿輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖隊(duì)列out

16、，其隊(duì)首指針為F(out)，隊(duì)尾指針為L(zhǎng)(out)。 9.4 緩沖技術(shù)緩沖池的結(jié)構(gòu)在緩沖池中還具有四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hin）；用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sin）；用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（hout）；用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)（sout）。9.4 緩沖技術(shù)緩沖池管理 對(duì)緩沖池的管理由如下幾個(gè)操作組成：從三種緩沖區(qū)隊(duì)列中按一定的選取規(guī)則取出一個(gè)緩沖區(qū):take_buf(type);把緩沖區(qū)按一定的規(guī)則插入相應(yīng)的緩沖區(qū)隊(duì)列:add_buf(type,number)；供進(jìn)程申請(qǐng)緩沖區(qū)用的過程:get_buf(type，number);供進(jìn)程將緩沖區(qū)放入相應(yīng)緩沖區(qū)

17、隊(duì)列:put_buf(type，work_buf)。其中，參數(shù)type表示緩沖隊(duì)列類型，number為緩沖區(qū)號(hào)，而work_buf則表示工作緩沖區(qū)類型。9.4 緩沖技術(shù)緩沖池的工作過程輸入進(jìn)程調(diào)用get_uf(em,number)過程從空白緩沖區(qū)隊(duì)列中取出一個(gè)緩沖號(hào)為number的空白緩沖區(qū)，將其作為收容輸入緩沖區(qū)hin，當(dāng)hin中裝滿了由輸入設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)之后，系統(tǒng)調(diào)用過程put_buf(in,hin)將該緩沖區(qū)插入輸入緩沖區(qū)隊(duì)列in中。輸出進(jìn)程調(diào)用get_buf(em,number)從空白緩沖區(qū)隊(duì)列中取出一個(gè)空白緩沖區(qū)number作為收容輸出緩沖區(qū)hout，待hout中裝滿輸出數(shù)據(jù)之后，系

18、統(tǒng)再調(diào)用過程Put_buf(out,hout)將該緩沖區(qū)插入輸出緩沖區(qū)隊(duì)列out.9.5 設(shè)備分配設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制表(DCT, Device Control Table)：每個(gè)設(shè)備一張，描述設(shè)備特性和狀態(tài)。 DCT的內(nèi)容主要包括：設(shè)備標(biāo)識(shí)：用來(lái)區(qū)別不同的設(shè)備。設(shè)備類型：如：塊設(shè)備或字符設(shè)備。設(shè)備地址或設(shè)備號(hào)：統(tǒng)一內(nèi)存編址或單獨(dú)編址。設(shè)備狀態(tài)：工作或空閑狀態(tài)。等待隊(duì)列指針：等待使用該設(shè)備的進(jìn)程隊(duì)列。I/O控制器指針：指向向該設(shè)備相連I/O控制器。9.5 設(shè)備分配設(shè)備分配用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)設(shè)備表(SDT, System Device Table)：系統(tǒng)內(nèi)一張，記錄所有設(shè)備的狀態(tài)及其設(shè)備控制表

19、的入口。 SDT表項(xiàng)的主要組成：DCT指針：指向相應(yīng)設(shè)備的DCT；設(shè)備使用進(jìn)程標(biāo)識(shí)：正在使用該設(shè)備的進(jìn)程標(biāo)識(shí)；DCT信息：為引用方便而保存的DCT信息，如：設(shè)備標(biāo)識(shí)、設(shè)備類型等；控制器控制表(COCT, COntroller Control Table)：每個(gè)設(shè)備控制器一張，描述I/O控制器的配置和狀態(tài)。如DMA控制器所占用的中斷號(hào)、DMA數(shù)據(jù)通道的分配。通道控制表(CHCT, CHannel Control Table)：每個(gè)通道一張，描述通道工作狀態(tài)。9.5 設(shè)備分配設(shè)備分配方式：各有優(yōu)缺點(diǎn)靜態(tài)分配：在進(jìn)程創(chuàng)建時(shí)分配，進(jìn)程退出時(shí)釋放；不會(huì)出現(xiàn)死鎖；設(shè)備利用率不高；動(dòng)態(tài)分配：在進(jìn)程執(zhí)行中分配，使用結(jié)束后釋放；需要考慮死鎖問題有利于提高設(shè)備利用率設(shè)備分配策略：與進(jìn)程調(diào)度類似，但簡(jiǎn)單一些；先請(qǐng)求先分配優(yōu)先級(jí)