第7章设备管理1.ppt

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1、第第7章章 设备管理设备管理I/O设备管理概述设备管理概述 磁盘管理磁盘管理I/O系统系统 缓冲管理缓冲管理7.1 I/O 设备管理概述设备管理概述 I/O管理的基本任务管理的基本任务l完成用户提出的完成用户提出的I/O请求请求l提高提高I/O速率速率l改善改善I/O设备的利用率设备的利用率7.1 I/O 设备管理概述设备管理概述 I/O管理的功能管理的功能l监视设备的状态监视设备的状态l进行设备分配进行设备分配l完成完成I/O操作操作l缓冲管理缓冲管理I/O硬件组成硬件组成l主机主机I/O系统系统四级结构四级结构l微型机微型机I/O系统系统单总线结构单总线结构图形控制器桥/内存控制器SCSI

2、磁盘控制器扩展总线接口 其它 控制器打印机磁盘PCI总线监视器处理器高速缓存内存磁盘IDE磁盘控制器磁盘磁盘扩展总线并行端口串行端口键盘I/O设备设备设备的类型设备的类型按设备进行信息交换的单位分类：按设备进行信息交换的单位分类：l块设备块设备如：磁盘、光盘如：磁盘、光盘 块大小块大小512B32KB。特点：速度高、随机访问、特点：速度高、随机访问、I/O采用采用DMA方式。方式。l字符设备字符设备如：键盘、打印机、网卡。如：键盘、打印机、网卡。特点：速度低、不可寻址、特点：速度低、不可寻址、I/O采用中断方式采用中断方式。I/O设备设备设备的类型设备的类型按共享属性分类：按共享属性分类：l

3、独占设备独占设备l 共享设备共享设备l 虚拟设备虚拟设备设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器或或适配器适配器CPU与与I/O设备之间的接口，接收从设备之间的接口，接收从CPU发来的命令，并控发来的命令，并控制制I/O设备工作。设备工作。通常一台控制器可控制多台同一类型的设备。通常一台控制器可控制多台同一类型的设备。设备控制器的形式：印刷电路卡，又称接口卡。设备控制器的形式：印刷电路卡，又称接口卡。设备驱动程序设备驱动程序：控制设备控制器的软件：控制设备控制器的软件设备控制器的组成设备控制器的组成数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口2数据线地址线控制线CPU

4、与控制器接口数据状态控制数据状态控制控制器与设备接口l控制器的功能控制器的功能 数据交换数据交换 接收和识别接收和识别CPU发来的命令发来的命令 了解设备的状态，报告给了解设备的状态，报告给CPU 地址识别地址识别设备控制器的组成设备控制器的组成数据寄存器控制/状态寄存器I/O逻辑控制器与设备接口1控制器与设备接口2数据线地址线控制线CPU与控制器接口数据状态控制数据状态控制控制器与设备接口l控制器与控制器与CPU之间接口之间接口用于控制设备与总线之间交换数据。用于控制设备与总线之间交换数据。l控制器与设备之间接口控制器与设备之间接口用于根据用于根据CPU发来的命令，控制设备的发来的命令，控制

5、设备的动作。动作。lI/O逻辑逻辑用于实现对设备的控制。将启动命令发送给控制器；用于实现对设备的控制。将启动命令发送给控制器；以以及及对收到的地址进行译码，再根据译出的命令对设备进行控制。对收到的地址进行译码，再根据译出的命令对设备进行控制。设备通道设备通道l通道通道 外设很多时，在外设很多时，在CPU与控制器之间与控制器之间增加通道，减轻增加通道，减轻CPU负担。负担。l增加通道的目的增加通道的目的建立独立的建立独立的I/O操作，使操作，使CPU从繁重从繁重的的I/O中解放出来中解放出来l通道的实质通道的实质 是特殊的处理机是特殊的处理机指令类型单一指令类型单一没有内存没有内存通道的类型通道

6、的类型l字节多路通道字节多路通道连接中、低速外设。如打印机、终端等。连接中、低速外设。如打印机、终端等。以字节为传送单位。以字节为传送单位。传送时，通道与多个外设交叉传递，当一个外设交换传送时，通道与多个外设交叉传递，当一个外设交换一一个字节个字节后，立即腾出，将通道让给另一个设备使用。后，立即腾出，将通道让给另一个设备使用。主通道：A1B1C1A2B2C2控制器 A控制器 B控制器 C控制器 D控制器 N子通道A：A1A2A3子通道B：B1B2B3子通道C：C1C2C3子通道N：N1N2N3ABCDN设备通道的类型通道的类型l数组选择通道数组选择通道连接磁盘等高速外设。连接磁盘等高速外设。以

7、块为传送单位。以块为传送单位。连接多个外设，但一段时间只被一个设备独占，直至释放连接多个外设，但一段时间只被一个设备独占，直至释放。l数组多路通道数组多路通道连接高速外设。如磁盘。连接高速外设。如磁盘。综合字节多路通道的综合字节多路通道的”并行并行“和数组选择通道的和数组选择通道的”高速高速“的优的优点。利用一台设备点。利用一台设备”读写定位读写定位”的时间，再与另一外设交换信息。的时间，再与另一外设交换信息。l字节多路通道字节多路通道连接中、低速外设。如打印机、终端等。连接中、低速外设。如打印机、终端等。以字节为传送单位。以字节为传送单位。传送时，通道与多个外设交叉传递，当一个外设交换传送时

8、，通道与多个外设交叉传递，当一个外设交换一一个字节个字节后，立即腾出，将通道让给另一个设备使用。后，立即腾出，将通道让给另一个设备使用。通道的连接方式通道的连接方式l单通路连接单通路连接I/O繁忙时，通道繁忙时，通道成为瓶颈。成为瓶颈。l多通路连接多通路连接设备与计算机之设备与计算机之间增加多条通路间增加多条通路增强可靠性增强可靠性7.2 I/O控制方式控制方式l略略7.3 I/O系统系统lI/O系统层次结构系统层次结构设备分配考虑因素设备分配考虑因素l设备固有属性设备固有属性独享设备独享设备共享设备共享设备虚拟设备虚拟设备l设备分配算法设备分配算法先来先服务先来先服务优先级高者优先优先级高者

9、优先l设备分配中的安全性设备分配中的安全性安全分配方式（单请求方式）安全分配方式（单请求方式）不安全分配方式不安全分配方式设备的独立性设备的独立性l设备独立性（也称设备无关性）设备独立性（也称设备无关性）指用户程序独立于具体物理设备。指用户程序独立于具体物理设备。l设备独立性的优点设备独立性的优点设备分配时的灵活性设备分配时的灵活性易于实现易于实现I/O重定向重定向l设备独立性的实现设备独立性的实现逻辑设备表逻辑设备表操作系统实现逻辑设备到物理设备的转换。操作系统实现逻辑设备到物理设备的转换。逻辑设备表逻辑设备表（Logical Unit Table，LUT）逻辑设备名 物理设备名 驱动程序入

10、口地址/dev/print 3 2056/dev/tty 5 1034LUT的设置：的设置：l整个系统一张（单用户系统）整个系统一张（单用户系统）l一个用户一张（多用户系统）一个用户一张（多用户系统）设备分配用数据结构设备分配用数据结构设备等待队列尾指针设备类型设备标识COCT指针设备等待队列首指针设备忙/闲标记设备控制表控制器等待队列尾指针控制器标识CHCT指针控制器等待队列首指针控制器忙/闲标记控制器控制表通道等待队列尾指针通道标识通道等待队列首指针通道忙/闲标记通道控制表DCT指针设备类型获得设备的进程号设备标识系统设备表表项1表项i（a）（b）（c）（d）l系统设备表系统设备表SDT

11、（整个系统一张）整个系统一张）l设备控制表设备控制表DCT （每个设备一张）每个设备一张）l控制器控制表控制器控制表COCT （每个控制器一张）每个控制器一张）l通道控制表通道控制表CHCT （每个通道一张）每个通道一张）设备分配程序设备分配程序单通路情况下的单通路情况下的设备分配程序设备分配程序开始查SDT，找到DCTDCT.busy=1计算安全性安全吗？由DCT找到COCTCOCT.busy=1由COCT找到CHCTCHCT.busy=1启动I/O设备进行数据传输结束将进程阻塞在等待该通道的等待队列上将进程阻塞在等待该控制器的等待队列上将进程阻塞在等待该设备的等待队列上将进程阻塞在等待该设

12、备的等待队列上是否是否是否否是SPOOLing技术技术Simultancous Periphernal Operations On-Line输入缓冲区输出缓冲区输入进程SPi输出进程SPo输入井输出井磁盘内存输入设备输出设备SPOOLing的系统组成：的系统组成：输入井和输出井输入井和输出井输入缓冲区和输出缓冲区输入缓冲区和输出缓冲区输入进程输入进程SPi和输出进程和输出进程SPoSPOOLing技术技术SPOOLing特点：特点：提高提高I/O速度速度将独占设备改造为共享设备将独占设备改造为共享设备实现虚拟设备功能实现虚拟设备功能设备驱动程序设备驱动程序l设备驱动程序的功能：设备驱动程序的功

13、能：接收来自上层的接收来自上层的I/O请求，并检查请求的合法性。请求，并检查请求的合法性。向有关向有关I/O设备的控制器（中的控制设备的控制器（中的控制/状态寄存器）状态寄存器）发出控制命令，监督它们的正确执行，并进行必要的发出控制命令，监督它们的正确执行，并进行必要的错误处理。错误处理。对等待各种设备、控制器和通道的进程进行排队。对等待各种设备、控制器和通道的进程进行排队。执行比寄存器级别更高的一些特殊处理，如代码转执行比寄存器级别更高的一些特殊处理，如代码转换、退出处理等。换、退出处理等。处理来自设备的中断。处理来自设备的中断。l设备驱动程序的特点设备驱动程序的特点不同类型的设备配置不同的驱动程序。不同类型的设备配置不同的驱动程序。由于驱动程序与硬件紧密相关，常用汇编语言写。由于驱动程序与硬件紧密相关，常用汇编语言写。驱动程序的结构与驱动程序的结构与I/O控制方式紧密相关。控制方式紧密相关。设备驱动程序可动态加载设备驱动程序可动态加载中断处理程序中断处理程序略