北方工業(yè)大學(xué)計算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備管理

第七章設(shè)備管理第一節(jié)概述第二節(jié)數(shù)據(jù)傳送控制方式第三節(jié)中止技術(shù)第四節(jié)緩沖技術(shù)第五節(jié)設(shè)備分配第六節(jié)I/O進(jìn)程控制第七節(jié)設(shè)備驅(qū)動程序1第1頁7.1概述設(shè)備除cpu及內(nèi)存以外全部設(shè)備和裝置(I/O設(shè)備，存放設(shè)備等)。存放設(shè)備用來存放各種信息設(shè)備稱為存放設(shè)備，比如，軟盤、硬盤、光盤和磁帶等I/O設(shè)備用來向計算機(jī)輸入和輸出信息設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、打印機(jī)等2第2頁7.1.1外部設(shè)備分類

按系統(tǒng)和用戶分：系統(tǒng)、用戶按輸入輸出傳送方式分(UNIX或Linux系統(tǒng))：字符型設(shè)備、塊設(shè)備按資源特點(diǎn)分：獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備按設(shè)備硬件物理特征分：次序存取設(shè)備、直接存取設(shè)備3第3頁按輸入輸出傳送方式分字符型設(shè)備：以字符為單位進(jìn)行輸入、輸出設(shè)備。每輸入或輸出一個字符就中止一次主機(jī)CPU，請求進(jìn)行處理。所以又稱慢速字符設(shè)備。塊設(shè)備：以字符塊為單位進(jìn)行輸入、輸出設(shè)備。比如：硬盤。4第4頁按資源特點(diǎn)分獨(dú)享設(shè)備：全部字符設(shè)備都是獨(dú)享設(shè)備。在一個用戶作業(yè)未完成或退出之前，此設(shè)備不能分配給其它作業(yè)用。打印機(jī)不能同時打印多個用戶作業(yè)，不然輸出結(jié)果將會混在一起。共享設(shè)備：多個用戶作業(yè)或多個進(jìn)程能夠“同時”從這些設(shè)備上存取信息。軟硬盤、光盤等塊設(shè)備都是共享設(shè)備。虛擬設(shè)備：經(jīng)過軟件技術(shù)將獨(dú)享設(shè)備改造成共享設(shè)備。比如：經(jīng)過SPOOLing技術(shù)將一臺打印機(jī)虛擬成多臺打印機(jī)。5第5頁按設(shè)備硬件物理特征分次序存取設(shè)備：存取時間與物理上當(dāng)前位置相關(guān)。如：磁帶直接存取設(shè)備：存取時間與物理上當(dāng)前位置關(guān)系不大。如：磁盤6第6頁7.1.2設(shè)備管理任務(wù)選擇和分配輸入輸出設(shè)備控制輸入輸出設(shè)備和CPU或內(nèi)存之間數(shù)據(jù)交換。為用戶提供一個友好接口，把用戶和設(shè)備硬件特征分開，使用戶編程時無須關(guān)心設(shè)備物理特征。盡可能提升輸入輸出設(shè)備利用率，發(fā)揮主機(jī)與外設(shè)以及外設(shè)與外設(shè)之間真正并行工作能力。7第7頁7.1.3設(shè)備管理功效提供與進(jìn)程管理系統(tǒng)接口，將進(jìn)程要求傳達(dá)給設(shè)備管理程序。按設(shè)備類型和算法分配設(shè)備，包含對應(yīng)通道、設(shè)備控制器。對未分配到設(shè)備任務(wù)或作業(yè)進(jìn)入等候隊(duì)列。實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU之間并行操作。這需要一些硬件設(shè)備支持。進(jìn)行存放緩沖區(qū)管理。8第8頁7.2數(shù)據(jù)傳送控制方式數(shù)據(jù)傳送設(shè)備與CPU或內(nèi)存數(shù)據(jù)交互傳送方式程序直接控制中止控制DMA控制通道控制評價指標(biāo)速度快、數(shù)據(jù)不丟失、系統(tǒng)開銷小9第9頁程序直接控制由用戶進(jìn)程直接控制內(nèi)存與外部設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸當(dāng)用戶進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時，它經(jīng)過CPU發(fā)送“設(shè)備開啟命令”，用戶進(jìn)程進(jìn)入測試等候狀態(tài);在等候時間內(nèi)CPU不停用一條測試指令檢驗(yàn)設(shè)備工作狀態(tài)當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，狀態(tài)存放器狀態(tài)置為完成狀態(tài)，發(fā)出“Done”信號，開始向內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)10第10頁程序直接控制方式特點(diǎn)CPU和外部設(shè)備之間只能串行工作CPU在一段時間只能與一臺外部設(shè)備交換信息，所以不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間并行工作CPU處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部設(shè)備，所以CPU利用率大大降低。因?yàn)檫@種方式是依靠測試設(shè)備狀態(tài)存放器狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)傳輸，所以，無法發(fā)覺和處理因?yàn)樵O(shè)備或其它硬件所產(chǎn)生錯誤。11第11頁7.2.2中止方式與程序直接方式不一樣，它是靠中止來實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存數(shù)據(jù)傳輸控制。處理過程：1.當(dāng)進(jìn)程要求數(shù)據(jù)時，由CPU發(fā)出START命令，開啟外設(shè)準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。同時中止允許位打開。2.現(xiàn)運(yùn)行進(jìn)程放棄CPU，等候輸入完成。進(jìn)程調(diào)度程序選擇一個新進(jìn)程在CPU上運(yùn)行。3.當(dāng)數(shù)據(jù)從對應(yīng)設(shè)備送到緩沖區(qū)后，由I/O控制器發(fā)中止請求，CPU接到請求后，中止現(xiàn)運(yùn)行進(jìn)程，轉(zhuǎn)中止處理程序執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸。4.在以后某個時刻，被中止進(jìn)程因?yàn)槿〉昧藬?shù)據(jù)而繼續(xù)運(yùn)行。12第12頁中止方式特點(diǎn)1.因?yàn)镮/O控制器數(shù)據(jù)緩沖存放器比較小，裝滿數(shù)據(jù)后發(fā)生中止，所以一次數(shù)據(jù)傳輸中會造成屢次中止，消耗大量CPU時間。2.因?yàn)橄到y(tǒng)中設(shè)備較多，中止太多，會使CPU無法響應(yīng)中止，造成數(shù)據(jù)丟失。3.假如外部設(shè)備速度也比較高，CPU不能及時取走緩沖存放器數(shù)據(jù)，那么就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失。13第13頁7.2.3DMA方式當(dāng)需要傳輸大量數(shù)據(jù)時，程序I/O方式和中止I/O方式都會浪費(fèi)大量CPU時間，所以，需要一個更有效技術(shù)處理大量數(shù)據(jù)傳輸DMA(直接存放器存取)方式：當(dāng)處理器希望讀或?qū)懸粔K數(shù)據(jù)時，它給DMA模塊產(chǎn)生一條指令，發(fā)送以下信息包括I/O設(shè)備地址開始讀或?qū)懘娣牌鲉卧枰x或?qū)懽謹(jǐn)?shù)14第14頁DMA方式處理器然后繼續(xù)其它工作，而把這個操作委托給DMA模塊，由該模塊處理。DMA模塊直接從存放器中或者往存放器中傳送整個數(shù)據(jù)塊，每次傳送一個字。當(dāng)傳送完成后，DMA模塊給處理器發(fā)一個中止信號。所以，只有在開始傳送和結(jié)束傳送時才會用處處理器15第15頁DMA方式DMA方式特點(diǎn)：作為高速外圍設(shè)備與內(nèi)存之間進(jìn)行成批數(shù)據(jù)交換，但不對數(shù)據(jù)作加工處理。數(shù)據(jù)傳輸基本單位是數(shù)據(jù)塊，I/O操作類型比較簡單需要使用一個專門DMA控制器（DMAC，DirectMemoryAccessController）。DMAC中有控制、狀態(tài)存放器、傳送字節(jié)計數(shù)器、內(nèi)存地址存放器和數(shù)據(jù)緩沖存放器16第16頁DMA方式采取偷竊總線控制權(quán)方法，由DMAC送出內(nèi)存地址和發(fā)出內(nèi)存讀、設(shè)備寫或設(shè)備讀、內(nèi)存寫控制信號來完成內(nèi)存與設(shè)備之間直接數(shù)據(jù)傳送，而不用CPU干預(yù)。有DMA傳送甚至不經(jīng)過DMAC數(shù)據(jù)緩沖存放器再吞吐，傳輸速率非常高。僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊開始和結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)傳送是在控制器控制下完成17第17頁7.2.4I/O通道方式通道控制方式與DMA方式類似，也是一個以內(nèi)存為中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)控制方式。與DMA方式相比，DMA方式每次僅傳輸一個數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)，而通道卻能夠一次傳輸若干個數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)。18第18頁I/O通道方式通道控制方式數(shù)據(jù)輸入過程以下當(dāng)進(jìn)程要求輸入數(shù)據(jù)時，CPU發(fā)出驅(qū)動指令指明I/O操作、設(shè)備號和對應(yīng)通道對應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來驅(qū)動指令后，把存放在內(nèi)存中通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序，控制設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送到內(nèi)存指定區(qū)域若數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，則向CPU發(fā)出中止請求。CPU收到中止信號后轉(zhuǎn)中止處理程序，喚醒等候輸入完成進(jìn)程，并返回被中止程序19第19頁20第20頁通道指令通道指令普通包含：內(nèi)存地址（數(shù)據(jù)）、傳送方向、數(shù)據(jù)長度、I/O設(shè)備地址信息、特征信息。通道指令在進(jìn)程要求數(shù)據(jù)時由系統(tǒng)自動生成。Wirte002501850（寫/通道指令未結(jié)束/統(tǒng)計未結(jié)束/250個單元/內(nèi)存地址1850）Write11250780（寫/通道指令結(jié)束/統(tǒng)計結(jié)束/250個單元/內(nèi)存地址780）21第21頁通道方式特點(diǎn)設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送方向、內(nèi)存地址、長度等是由通道來控制。DMA中這些是由CPU控制。一個通道能夠控制多臺設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。DMA方式每臺設(shè)備最少一個DMA控制器。一個通道能夠以分時方式同時執(zhí)行幾個通道指令。22第22頁7.3中止技術(shù)7.3.1中止基本思想7.3.2中止分類與優(yōu)先級7.3.3軟中止7.3.4中止處理過程23第23頁7.3.1中止基本思想定義：中止是指計算機(jī)在執(zhí)行期間，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋?；蝾A(yù)期急需處理事件，使得CPU暫時中止當(dāng)前進(jìn)程而轉(zhuǎn)去執(zhí)行對應(yīng)事件處理程序，待處理完成后又返回原來被中止處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新進(jìn)程執(zhí)行過程。中止源：引發(fā)發(fā)生中止事件叫做中止源。中止請求：中止源向CPU發(fā)送中止信號叫做中止請求。中止響應(yīng)：CPU收到中止請求后轉(zhuǎn)對應(yīng)事件處理程序稱為中止響應(yīng)。24第24頁中止基本思想禁止中止（關(guān)中止）：因?yàn)樘幚頇C(jī)狀態(tài)字PSW中止允許位可能被去除，造成CPU不響應(yīng)中止，直到PSW中止許可位被重新設(shè)置，即開中止。開中止和關(guān)中止都是為保障程序執(zhí)行原子性。中止請求、關(guān)中止、開中止都是由硬件實(shí)現(xiàn)。中止屏蔽：中止請求產(chǎn)生之后，系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中止，而允許其它中止依然能夠得到響應(yīng)。有些中止是不可屏蔽，它們含有最高中止響應(yīng)級別。25第25頁7.3.2中止分類與優(yōu)先級依據(jù)中止源產(chǎn)生條件，可把中止分為內(nèi)部中止和外部中止：內(nèi)部中止：來自處理機(jī)和內(nèi)存中止。內(nèi)中止也叫做陷阱（trap）。包含程序運(yùn)算引發(fā)各種錯誤，比如：數(shù)據(jù)格式錯、非法指令等。外部中止：除了內(nèi)部中止之外，其它來自外部中止都是外中止。比如：I/O設(shè)備發(fā)出I/O中止、外部信號中止等。中止和陷入按輕重緩急分為不一樣優(yōu)先級。CPUPSW中也設(shè)有優(yōu)先級。假如中止源優(yōu)先級高于PSW則處理機(jī)響應(yīng)該中止；反之，屏蔽請求。中止源優(yōu)先級是固定，處理機(jī)優(yōu)先級則依據(jù)執(zhí)行情況由系統(tǒng)程序動態(tài)設(shè)定。26第26頁中止和陷入?yún)^(qū)分陷阱通常由處理機(jī)正在執(zhí)行指令引發(fā)，而中止是由與現(xiàn)行指令無關(guān)中止引發(fā)。陷入處理程序提供服務(wù)是為當(dāng)前進(jìn)程，而中止處理程序提供服務(wù)則不是為當(dāng)前進(jìn)程。CPU在執(zhí)行完一條指令后，下一條指令開始之前響應(yīng)中止，而中止執(zhí)行過程中又能夠響應(yīng)陷阱。有系統(tǒng)將中止處理程序在系統(tǒng)上下文上運(yùn)行，而陷入在用戶上下文上運(yùn)行。27第27頁7.3.3軟中止定義：通訊進(jìn)程之間相互發(fā)送信號來模擬硬件中止。一個進(jìn)程A向進(jìn)程B發(fā)送一個軟中止信號后，當(dāng)進(jìn)程B占用處理機(jī)時，馬上轉(zhuǎn)去執(zhí)行該軟中止信號所對應(yīng)程序。有些系統(tǒng)中，將陷入劃歸到軟中止處理。如當(dāng)前執(zhí)行指令產(chǎn)生陷阱，則向當(dāng)前執(zhí)行進(jìn)程本身發(fā)出軟中止信號，馬上進(jìn)入陷阱處理程序。28第28頁7.3.4中止處理過程1.CPU檢驗(yàn)是否有響應(yīng)中止條件：中止請求、CPU允許中止。條件不滿足則中止處理程序不處理。2.假如CPU響應(yīng)中止，則先關(guān)中止，以確保在中止處理過程中不被中止。3.保留中止現(xiàn)場。4.分析中止原因，調(diào)用中止處理子程序。假如同時有多個中止，則響應(yīng)級別最高中止。29第29頁中止向量不一樣中止源有不一樣中止處理子程序。這些子程序入口地址和不一樣處理機(jī)狀態(tài)字一起組成中止向量。存放在內(nèi)存特定單元中。依據(jù)中止源系統(tǒng)查詢中止向量表，然后轉(zhuǎn)去對應(yīng)處理子程序。30第30頁7.4緩沖技術(shù)緩沖引入緩沖種類緩沖池管理31第31頁7.4.1緩沖引入處理機(jī)處理速度很高，為了使處理機(jī)速度和外部設(shè)備速度匹配，普通在處理機(jī)和外部設(shè)備之間加一個或多個緩沖區(qū)，到達(dá)設(shè)備之間和設(shè)備與處理機(jī)之間并行處理目標(biāo)。為了降低中止次數(shù)。比如：當(dāng)計算進(jìn)程把大量數(shù)據(jù)輸出到打印機(jī)上，因?yàn)镃PU輸出速度大大高于打印機(jī)速度，所以，CPU只好停下來等候。而CPU計算時，打印機(jī)卻空閑。兩種緩沖方案：用硬件緩沖存放器；內(nèi)存緩沖區(qū)32第32頁7.4.2緩沖種類單緩沖：在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個緩沖器。單緩沖不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間并行操作。雙緩沖：兩個緩沖器，以處理兩個設(shè)備之間并行。但多個設(shè)備情況下依然不可行。多緩沖：多個緩沖區(qū)連接起來組成兩部分，一部分專門用于輸入緩沖，另一部分專門用于輸出緩沖。緩沖池：將多個緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理，既可用于輸入，又可用于輸出。33第33頁7.4.3緩沖池管理緩沖池由多個緩沖區(qū)組成。每個緩沖區(qū)由兩部分組成：一是緩沖區(qū)首部，包含設(shè)備號、數(shù)據(jù)塊號、緩沖區(qū)號、互斥標(biāo)識位、連接指針；另一部分是存放數(shù)據(jù)為緩沖體。系統(tǒng)將各個緩沖區(qū)按照用途分為三種隊(duì)列：空閑隊(duì)列、裝滿輸入數(shù)據(jù)隊(duì)列、裝滿輸出數(shù)據(jù)隊(duì)列。除了這三種隊(duì)列外，系統(tǒng)還提供四個工作緩沖區(qū)，用于進(jìn)行緩沖區(qū)相關(guān)操作：hin:收容設(shè)備輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)sin提取設(shè)備輸入數(shù)據(jù)緩沖