計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)第9章 設(shè)備管理1

第9章設(shè)備管理在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，除了CPU和內(nèi)存之外，其他的大部分硬件設(shè)備稱(chēng)為外部設(shè)備；外部設(shè)備包括常用的輸入輸出設(shè)備、外存設(shè)備以及終端設(shè)備等；外部設(shè)備種類(lèi)繁多，特性各異，操作方式的差別也很大，從而使得操作系統(tǒng)的設(shè)備管理變得十分復(fù)雜；9.1設(shè)備管理概述

9。1。1設(shè)備分類(lèi)

計(jì)算機(jī)設(shè)備種類(lèi)繁多，從不同的角度出發(fā)，設(shè)備可分成不同的類(lèi)型。下面列舉幾種常見(jiàn)的分類(lèi)方法。按設(shè)備從屬關(guān)系：系統(tǒng)設(shè)備和用戶(hù)設(shè)備；按設(shè)備使用特性：存儲(chǔ)設(shè)備和I/O設(shè)備；按設(shè)備共享屬性：獨(dú)占設(shè)備，共享設(shè)備，虛擬設(shè)備：。

按信息交換單位：字符設(shè)備，塊設(shè)備；9。1。2設(shè)備管理的任務(wù)和功能

設(shè)備管理的兩項(xiàng)主要任務(wù)是分配設(shè)備和實(shí)現(xiàn)用戶(hù)提出的I/O請(qǐng)求，在完成這兩項(xiàng)任務(wù)時(shí)既要兼顧方便用戶(hù)使用又要提高I/O設(shè)備的利用率；為了完成上述任務(wù)，設(shè)備管理應(yīng)具備以下功能：

1，設(shè)備分配：根據(jù)用戶(hù)的請(qǐng)求，為之分配設(shè)備，包括控制器和通道；

2，設(shè)備處理：實(shí)現(xiàn)具體的I/O操作；

3，緩沖管理：緩沖管理負(fù)責(zé)I/O緩沖區(qū)的分配和釋放及有關(guān)管理工作；

4，設(shè)備獨(dú)立性：又稱(chēng)設(shè)備無(wú)關(guān)性，是指實(shí)現(xiàn)用戶(hù)編制程序時(shí)所使用的邏輯設(shè)備與物理設(shè)備的無(wú)關(guān)性。9。1。3設(shè)備控制器和I/O通道設(shè)備一般由機(jī)械和電子兩部分組成，電子部分通常稱(chēng)為設(shè)備控制器。在微機(jī)中，又稱(chēng)為適配器、接口板或設(shè)備卡；控制器處于CPU與I/O設(shè)備之間，它接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，并控制I/O設(shè)備的工作；控制器是一個(gè)可編址設(shè)備，當(dāng)它控制一個(gè)設(shè)備時(shí)有一個(gè)設(shè)備地址，當(dāng)它控制多個(gè)設(shè)備則應(yīng)有多個(gè)設(shè)備地址；具體地講，設(shè)備控制器有以下功能：

1，接收和識(shí)別來(lái)自CPU的命令；

2，實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換；

3，記錄設(shè)備的狀態(tài)以供CPU查詢(xún)；

4，識(shí)別控制的每個(gè)設(shè)備地址，以選擇設(shè)備；設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器由三部分組成：設(shè)備控制器與處理機(jī)的接口：實(shí)現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信；設(shè)備控制器與設(shè)備的接口：實(shí)現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備控制器之間的通信；I/O邏輯：實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制，它負(fù)責(zé)接收命令、對(duì)命令進(jìn)行譯碼、再根據(jù)譯出的命令控制設(shè)備。設(shè)備控制器組成圖CPU與控制器的接口控制器與設(shè)備的接口數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器I/O邏輯控制器與設(shè)備的接口控制器與設(shè)備的接口┆數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)線地址線控制線┆I/O通道I/O通道（Channel）是大型機(jī)或巨型機(jī)上專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)輸入/輸出工作的處理機(jī)。它具有執(zhí)行通道指令（在IBM上叫通道命令字CCW）的能力，并通過(guò)執(zhí)行通道程序來(lái)控制I/O操作的實(shí)現(xiàn)，通道程序是通道指令的序列；根據(jù)信息交換方式的不同，可將通道分成以下幾種類(lèi)型：字節(jié)多路通道：它通常含有若干個(gè)非分配型子通道，每個(gè)子通道連接一臺(tái)低速字符設(shè)備，這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道，每次交換一個(gè)字節(jié)；數(shù)據(jù)選擇通道：又稱(chēng)數(shù)組選擇通道，該通道含有一個(gè)分配型子通道，子通道連接高速塊設(shè)備。在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一個(gè)通道程序，控制一臺(tái)設(shè)備傳送一批數(shù)據(jù)，當(dāng)一道程序執(zhí)行完后，再選擇與通道相連的另一臺(tái)設(shè)備；數(shù)據(jù)多路通道：又稱(chēng)數(shù)組多路通道，該通道是前兩種通道的結(jié)合，它以分時(shí)方式執(zhí)行幾個(gè)通道程序，執(zhí)行某個(gè)通道程序，為某臺(tái)設(shè)備傳送一組數(shù)據(jù)后，就轉(zhuǎn)向另一個(gè)通道程序?yàn)榱硪慌_(tái)設(shè)備服務(wù)；9。1。4I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不盡相同，大致分成兩類(lèi)：無(wú)通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；有通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；無(wú)通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)微型機(jī)I/O系統(tǒng)是無(wú)通道的，多采用總線I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，CPU和內(nèi)存直接連接到總線上，I/O設(shè)備通過(guò)設(shè)備控制器連接到總線上。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器CPU存儲(chǔ)器磁盤(pán)控制器打印機(jī)控制器其他控制器…打印機(jī)有通道的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)系統(tǒng)的設(shè)備較多，若所有設(shè)備都通過(guò)總線與CPU通信則總線的負(fù)擔(dān)過(guò)重。為此在I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中增加了一級(jí)I/O通道。

存儲(chǔ)器通道1通道2控制器2控制器3控制器1控制器4設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7設(shè)備8多通路I/O系統(tǒng)示意圖多通路系統(tǒng)使得設(shè)備之間可以與控制器和通道交叉連接，這樣每臺(tái)設(shè)備就有多條與主機(jī)交換信息的通路，從而減少了通道和控制器的數(shù)量和提高了它們的利用率。存儲(chǔ)器通道1通道2控制器2控制器1設(shè)備1設(shè)備3設(shè)備5設(shè)備79.2I/O控制方式在《計(jì)算機(jī)組成原理》里已經(jīng)講過(guò)，常用的I/O控制方式有以下幾種：程序直接控制方式；中斷控制方式；直接存儲(chǔ)器存取（DMA）控制方式；通道控制方式；外圍處理機(jī)方式；程序直接控制方式流程工作方式簡(jiǎn)單，但占用了很多CPU機(jī)時(shí)；向I/O控制器發(fā)出讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)傳送完成？檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入數(shù)據(jù)就緒向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)繼續(xù)往下未就緒YN出錯(cuò)中斷控制方式流程這種方式主要用于字符設(shè)備；數(shù)據(jù)是在中斷處理時(shí)傳送的；CPU可與設(shè)備并行工作；向I/O控制器發(fā)出讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)傳送完成？檢查狀態(tài)？出錯(cuò)從I/O控制器中讀入數(shù)據(jù)就緒向存儲(chǔ)器中寫(xiě)入數(shù)據(jù)NY執(zhí)行下條指令CPU做其他事情中斷DMA控制方式

DMA控制方式的思想是在設(shè)備與內(nèi)存之間設(shè)置一個(gè)DMA控制器，在控制器的控制下，設(shè)備和內(nèi)存之間可以成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，每交換一塊中斷一次CPU；在一塊數(shù)據(jù)傳送期間，CPU并行工作；這種方式主要用于塊設(shè)備；為實(shí)現(xiàn)內(nèi)存與設(shè)備之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須在DMA控制器中設(shè)置如下寄存器：命令/狀態(tài)寄存器CR：存放命令及狀態(tài)；內(nèi)存地址寄存器MAR：存放內(nèi)存起始地址；數(shù)據(jù)寄存器DR：中轉(zhuǎn)傳送的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC：計(jì)數(shù)傳送的字（節(jié)）數(shù)；DMA控制器的組成控制器與塊設(shè)備的接口主機(jī)-控制器接口DRI/O控制邏輯系統(tǒng)總線命令CPU內(nèi)存countMARDCCRDMA控制器DMA工作過(guò)程設(shè)置MAR和DC初值請(qǐng)求中斷啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址加1；字計(jì)數(shù)寄存器減1NYDC=0?準(zhǔn)備又一次傳送通道控制方式

通道控制方式是DMA控制方式的發(fā)展，它所需的CPU干預(yù)更少；通道控制方式與DMA方式類(lèi)似，也是一種以?xún)?nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式；在通道控制方式中，CPU只需發(fā)出啟動(dòng)指令，指出要求通道執(zhí)行的操作和使用的I/O設(shè)備，該指令就可以啟動(dòng)通道并使該通道從內(nèi)存中調(diào)出相應(yīng)的通道程序執(zhí)行。以輸入為例，其過(guò)程為：通道工作過(guò)程CPU做其他事情中斷向通道發(fā)讀命令并指明使用的設(shè)備進(jìn)行中斷處理讀出通道程序并設(shè)置控制器中的狀態(tài)寄存器執(zhí)行通道程序控制設(shè)備輸入數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束發(fā)中斷9.3緩沖技術(shù)在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，外部設(shè)備與主機(jī)的信息交換都是要經(jīng)過(guò)緩沖存儲(chǔ)器的，因此，緩存管理也是設(shè)備管理的重要組成部分。9。3。1緩沖的引入引入緩沖的主要原因有：緩和CPU及各種設(shè)備之間速度不匹配的矛盾；提高CPU與I/O設(shè)備并行工作的程度；減少設(shè)備對(duì)CPU的中斷頻率，放寬CPU對(duì)中斷響應(yīng)時(shí)間的限制；實(shí)現(xiàn)一次I/O信息的重復(fù)使用；緩存使用的說(shuō)明

緩存使用的說(shuō)明：左，緩沖設(shè)備之間速度不匹配的矛盾；右，一次I/O信息多次使用；內(nèi)存緩存緩存內(nèi)存卡片機(jī)打印機(jī)磁盤(pán)進(jìn)程A進(jìn)程B緩沖實(shí)現(xiàn)技術(shù)緩沖的實(shí)現(xiàn)技術(shù)分為：?jiǎn)尉彌_；雙緩沖；循環(huán)緩沖；緩沖池；1.單緩沖單緩沖是在設(shè)備和處理機(jī)（或設(shè)備）之間設(shè)置一個(gè)緩沖區(qū)；以塊設(shè)備I/O為例，輸入時(shí)，先把一塊數(shù)據(jù)輸入至緩沖區(qū)，然后OS將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)送到用戶(hù)區(qū)；在塊設(shè)備輸出時(shí)，先將要輸出的數(shù)據(jù)從用戶(hù)區(qū)復(fù)制到緩沖區(qū)，然后再將緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫(xiě)到設(shè)備上；設(shè)從設(shè)備輸一塊信息到緩存的時(shí)間為t，OS將緩存的信息傳送到用戶(hù)區(qū)的時(shí)間為m，CPU計(jì)算的時(shí)間為c，則系統(tǒng)處理一塊信息的時(shí)間為max(c,t)+m；磁鼓緩存進(jìn)程用戶(hù)區(qū)tm進(jìn)程計(jì)算c2.雙緩沖引入雙緩沖，可以進(jìn)一步提高處理機(jī)與設(shè)備的并行操作度；在塊設(shè)備輸入時(shí)，可先將第一個(gè)緩沖區(qū)裝滿(mǎn)，之后便裝填第二個(gè)緩沖區(qū)，與此同時(shí)OS可將第一個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳到用戶(hù)區(qū)；當(dāng)?shù)谝粋€(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)處理完后，若第二個(gè)緩沖區(qū)已裝滿(mǎn)，則處理機(jī)又可處理第二個(gè)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，而設(shè)備又可裝填第一個(gè)緩沖區(qū)。如此循環(huán)；在與前面的假設(shè)相同的情況下，此時(shí)處理一塊信息的時(shí)間為：max（t，c）；操作系統(tǒng)I/O設(shè)備輸入用戶(hù)進(jìn)程傳送3.循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖中包含多個(gè)大小相等的緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)中有一個(gè)指針指向下一個(gè)緩沖區(qū)，最后一個(gè)緩沖區(qū)的指針指向第一個(gè)緩沖區(qū)，由此構(gòu)成一個(gè)環(huán)形；循環(huán)緩沖用于輸入/輸出時(shí)，還需要兩個(gè)指針in和out；對(duì)于輸入而言，in指向下一個(gè)可用的空緩沖區(qū)，out指向下一個(gè)可以提取數(shù)據(jù)的滿(mǎn)緩沖區(qū)。對(duì)輸出而言正好相反；由于循環(huán)緩沖由多個(gè)緩沖區(qū)組成，使得用戶(hù)進(jìn)程有足夠的緩沖區(qū)使用，從而提高了運(yùn)行速度；操作系統(tǒng)I/O設(shè)備輸入用戶(hù)進(jìn)程傳送inout4.緩沖池前面三種緩沖技術(shù)都是將一個(gè)或多個(gè)緩存分給一個(gè)進(jìn)程固定使用，當(dāng)進(jìn)程較多時(shí)，緩存的空間開(kāi)銷(xiāo)很大。緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成，使用的是動(dòng)態(tài)分配策略，即這些緩沖區(qū)是所有進(jìn)程共用的，是動(dòng)態(tài)地分配和回收的。這樣就可以有限數(shù)量的緩存滿(mǎn)足多個(gè)進(jìn)程的需要；緩沖池中有三種類(lèi)型的緩沖區(qū)隊(duì)列：空緩沖隊(duì)列：由空閑緩沖區(qū)構(gòu)成的隊(duì)列；輸入隊(duì)列：裝滿(mǎn)輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)隊(duì)列；輸出隊(duì)列：裝滿(mǎn)輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)隊(duì)列；除上述三個(gè)隊(duì)列之外，還有四種工作緩沖區(qū)：用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)；9.4設(shè)備分配在實(shí)際系統(tǒng)中，設(shè)備分配有多種方式，如人工分配，以作業(yè)為單位的靜態(tài)分配等。這里所說(shuō)的分配，指的是以進(jìn)程為單位的動(dòng)態(tài)分配；當(dāng)進(jìn)程提出設(shè)備請(qǐng)求時(shí)，設(shè)備分配程序便按照一定的策略為其分配設(shè)備，必要時(shí)還應(yīng)分配相應(yīng)的控制器和通道，以保證信息交換通路的暢通；9。4。1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

設(shè)備分配依據(jù)的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)有：設(shè)備控制表；控制器控制表；通道控制表；系統(tǒng)設(shè)備表；設(shè)備控制表（DCT）系統(tǒng)為每個(gè)設(shè)備配置一張?jiān)O(shè)備控制表，用于記錄設(shè)備的特性及與I/O控制器連接的情況。設(shè)備控制表設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備狀態(tài)：忙/閑指向控制器表的指針設(shè)備等待隊(duì)列指針…控制器控制表（COCT）控制器控制表也是每個(gè)控制器一張，它反映I/O控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況?？刂破骺刂票砜刂破鳂?biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)：忙/閑指向通道表的指針控制器等待隊(duì)列指針…通道控制表（CHCT）每個(gè)通道都配有一張通道控制表，它反映通道的使用狀態(tài)。通道控制表通道標(biāo)識(shí)符通道狀態(tài)：忙/閑通道等待隊(duì)列指針…系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）系統(tǒng)設(shè)備表整個(gè)系統(tǒng)一張，它記錄了系統(tǒng)中所有物理設(shè)備的情況，每個(gè)物理設(shè)備占一個(gè)表目。系統(tǒng)設(shè)備表SDT表目1表目2┆表目n設(shè)備類(lèi)型設(shè)備標(biāo)識(shí)符指向設(shè)備控制表的指針驅(qū)動(dòng)程序入口9。4。2設(shè)備分配策略

系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)備分配時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：設(shè)備的使用性質(zhì)；設(shè)備分配算法；設(shè)備分配的安全性；設(shè)備獨(dú)立性；設(shè)備的使用性質(zhì)設(shè)備使用時(shí)有三種類(lèi)型：獨(dú)占：這種設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程使用；共享：這種設(shè)備允許多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”使用；虛擬：設(shè)備本身雖是獨(dú)占設(shè)備，但經(jīng)過(guò)某種技術(shù)處理后可改造成“同時(shí)”使用設(shè)備。

針對(duì)上述三種設(shè)備可采用三種不同的分配方式。不同的分配方式獨(dú)占式分配：在將一個(gè)設(shè)備分配給某進(jìn)程后便一直由它獨(dú)占，直至該進(jìn)程完成或釋放該設(shè)備后，系統(tǒng)才能再將該設(shè)備分配給其他進(jìn)程使用；共享式分配：將設(shè)備分配給多個(gè)進(jìn)程“同時(shí)”使用。但這些進(jìn)程對(duì)設(shè)備的使用需要合理調(diào)度；虛擬式分配：當(dāng)進(jìn)程申請(qǐng)獨(dú)占設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)給它分配共享設(shè)備上的一部分存儲(chǔ)空間；當(dāng)進(jìn)程要與獨(dú)占設(shè)備交換信息時(shí)，系統(tǒng)把要交換的信息存放在這部分存儲(chǔ)空間中；在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候，將設(shè)備上的信息傳輸?shù)酱鎯?chǔ)空間中或?qū)⒋鎯?chǔ)空間中的信息傳送到設(shè)備。設(shè)備分配算法設(shè)備分配通常只采用以下兩種算法：先來(lái)先服務(wù)：根據(jù)進(jìn)程對(duì)某設(shè)備發(fā)出請(qǐng)求的先后次序，將它們排成一個(gè)設(shè)備請(qǐng)求隊(duì)列，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備首先分配給隊(duì)首進(jìn)程；優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先：按對(duì)某設(shè)備提出I/O請(qǐng)求的進(jìn)程優(yōu)先級(jí)由高到低排隊(duì)，對(duì)優(yōu)先級(jí)相同的I/O請(qǐng)求，按先來(lái)先服務(wù)的算法排隊(duì)，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備首先分配給隊(duì)首進(jìn)程；設(shè)備分配的安全性設(shè)備分配的安全性是指在設(shè)備分配中應(yīng)保證不發(fā)生進(jìn)程死鎖；顯然，設(shè)備的靜態(tài)分配方式是不會(huì)產(chǎn)生死鎖的；設(shè)備的動(dòng)態(tài)分配是在系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，在進(jìn)程