I/O系统的组成 第七章设备管理 IO系统的结构 设备是指计算机系统中除cPU,内存 微机型O系统 和系统控制台以外的所有设备。 I/O设备通过设备控制器连接到总线 上,CPU通过设各控制器与相应的设 设备管理程序是用于对这类设备进行 备进行通信。 控制和管理的一组程序 上机型IO系统 设备管理是OS中最复杂且与硬件紧 具有通道的IO系统结构:IO设备 密相关的部分。 设备控制器、IO通道、计算机 >设备的类别 从资源分配角度 按使用特性 独享设备 存储设备 共享设备 I/O设各 虚拟设备:通过 SPOOLING技术把独享 终端设备 设备改造为共享设备,以提高利用率 机设备 >按信息组织方式 按从属关系 字符设备 系统设备 块设备 用户设备 >设备分类的目的:简化设备管理程序 设备控制器 设备控制器是一个可编址设备,分 为字符设备扫 控制器和块设备控制器 CPU与设备间的接 功能 接收和识别命令:命令寄存器和译码器 一数据交换:数据寄存器 设备状态的了解和报告:状态寄存器 地址识别:地址寄存器 Figure 11. Typieal I/o Device Data Rates
1 第七章 设备管理 设备是指计算机系统中除CPU，内存 和系统控制台以外的所有设备。 设备管理程序是用于对这类设备进行 控制和管理的一组程序。 设备管理是OS中最复杂且与硬件紧 密相关的部分。 操 作 系 统 | 设 备 管 理 2 CUIT 徐虹 7． 1 I/O系统的组成 ¾I/O系统的结构 ¾微机型I/O系统 ¾I/O设备通过设备控制器连接到总线 上，CPU通过设备控制器与相应的设 备进行通信。 ¾主机型I/O系统 ¾具有通道的I/O系统结构：I/O设备、 设备控制器、I/O通道、计算机 操 作 系 统 | 设 备 管 理 3 CUIT 徐虹 ¾设备的类别 ¾按使用特性 ¾存储设备 ¾I/O设备 ¾终端设备 ¾脱机设备。 ¾按从属关系 ¾系统设备 ¾用户设备 操 作 系 统 | 设 备 管 理 4 CUIT 徐虹 ¾从资源分配角度 ¾独享设备 ¾共享设备 ¾虚拟设备：通过SPOOLING技术把独享 设备改造为共享设备，以提高利用率。 ¾按信息组织方式 ¾字符设备 ¾块设备 ¾设备分类的目的：简化设备管理程序 操 作 系 统 | 设 备 管 理 5 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 设 备 管 理 6 CUIT 徐虹 ¾设备控制器 设备控制器是一个可编址设备，分 为字符设备控制器和块设备控制器，是 CPU与设备间的接口。 ¾功能 ¾接收和识别命令：命令寄存器和译码器 ¾数据交换：数据寄存器 ¾设备状态的了解和报告：状态寄存器 ¾地址识别：地址寄存器
设备控制器的组成 设备管理程序的设计目标 设各控制器与处理机的接口 数捐线〔数捐寄存器、控制状态寄存器) 方便性:提供友好透明的用户接口 地址线 作系统 并行性:提高设备的利用率和系统效率 控制线 均衡性:使用外存设备作为虚拟设备 一设备控制器与设备的接口 >独立性:与设备无关性 状态信号 /O逻辑:实现对设备的控制 设备管理的基本功能 7.2数据传送(I/O)控制方式 >提供和进程管理系统的接口 进行设备分配 选择和衡量控制方式的原则 >实现设备之间,设备与CPU等之间的并 度高且安全 行操作 系统开销小 进行缓冲区管理 作系统|设备管 使IO设备尽量忙,CPU等待时间 >程序直接控制方式 >工作原理 图发读命令 由用户进程直接控制内存或CPU与外设 的状态」 间的信息传送 优点:控制简单硬件要求少 缺点 CPU与外围设各只能串行工作 设备间不能并行操作 安全性差 压完了 完域下条指令
2 操 作 系 统 | 设 备 管 理 7 CUIT 徐虹 ¾设备控制器的组成 ¾设备控制器与处理机的接口 ¾数据线（数据寄存器、控制/状态寄存器） ¾地址线 ¾控制线 ¾设备控制器与设备的接口 ¾数据信号 ¾控制信号 ¾状态信号 ¾I/O逻辑：实现对设备的控制 操 作 系 统 | 设 备 管 理 8 CUIT 徐虹 ¾设备管理程序的设计目标 ¾方便性：提供友好透明的用户接口 ¾并行性：提高设备的利用率和系统效率 ¾均衡性：使用外存设备作为虚拟设备 ¾独立性：与设备无关性 操 作 系 统 | 设 备 管 理 9 CUIT 徐虹 ¾设备管理的基本功能 ¾提供和进程管理系统的接口 ¾进行设备分配 ¾实现设备之间，设备与CPU等之间的并 行操作 ¾进行缓冲区管理 操 作 系 统 | 设 备 管 理 10 CUIT 徐虹 7． 2 数据传送（I/O）控制方式 ¾选择和衡量控制方式的原则： ¾速度高且安全 ¾系统开销小 ¾使I/O设备尽量忙，CPU等待时间 少 操 作 系 统 | 设 备 管 理 11 CUIT 徐虹 ¾程序直接控制方式 ¾工作原理 ¾由用户进程直接控制内存或CPU与外设 间的信息传送。 ¾优点：控制简单硬件要求少 ¾缺点： ¾CPU与外围设备只能串行工作 ¾设备间不能并行操作 ¾安全性差。 操 作 系 统 | 设 备 管 理 12 CUIT 徐虹 向I/O控制器发读命令 读I/O控制器的状态 检查状态 从I/O控制器中读入字 向存储器中写字 传送完成 完成下条指令 出错 未完 未 就 绪 ¾ 控 制 流 程
中断方式 中断的分类与优先级 中断的概念 一中断的分类:外中断,内中断(陷入) 中断源,中断请求,中断响应 中断的优先级 开中断,关中断 系>软中断 >中断屏蔽 一软中斷是 程之间用来模拟硬中断的 一种信号還讯方式 中断源发中段请求成软中断信号后,CPU 或接收进程在适当的时机自动进行中断处 立的功能 >中断处理过程 中断方式的处理过程 CPU检查响应中断的条件是否滴足 CPU与设备(控制I)间有中断请求线且 如CPU响应中断,关中斷 设备控制器的控制状态寄存器中有相应的 中断允许位 系>特点: 分析中斷原因,调用中断处理子程序 CPU利用率提高,能支持多道程序和设备 一执行中断处理子程序 并行工作 退出中断,恢复现场 数据传送过程中,中断次数较多;可能出 开中断,CP继续执行 现数据丢失现象 DMA方式 肉设备发 STARI指◆ 接收CPU发来的 将中新允许位t 在外围设备和内存之间开辟直接的数据 交换通路。信息的传送方向,传送的源 地址和目的地址及传送长度都由CP控 /数舞寄存 其它透程执 特点 收到中新情号? 数据传输的基本单位是数据块 一数据直接从设备到内存 中新处灌 一仅在传送开始和结束时才需CPU 控制器发中断情号 被中新选和执行 送过程在控制器的控制下完成下预,传
3 操 作 系 统 | 设 备 管 理 13 CUIT 徐虹 ¾中断方式 ¾中断的概念 ¾中断源，中断请求，中断响应 ¾开中断，关中断 ¾中断屏蔽 操 作 系 统 | 设 备 管 理 14 CUIT 徐虹 ¾中断的分类与优先级 ¾中断的分类：外中断，内中断（陷入） ¾中断的优先级 ¾软中断 ¾软中断是通讯进程之间用来模拟硬中断的 一种信号通讯方式。 ¾中断源发中段请求或软中断信号后，CPU 或接收进程在适当的时机自动进行中断处 理或完成软中断信号对应的功能。 操 作 系 统 | 设 备 管 理 15 CUIT 徐虹 ¾中断处理过程 ¾CPU检查响应中断的条件是否满足 ¾如CPU响应中断，关中断 ¾保护现场 ¾分析中断原因，调用中断处理子程序 ¾执行中断处理子程序 ¾退出中断，恢复现场 ¾开中断，CPU继续执行 操 作 系 统 | 设 备 管 理 16 CUIT 徐虹 ¾中断方式的处理过程 ¾CPU与设备（控制ID）间有中断请求线且 设备控制器的控制状态寄存器中有相应的 中断允许位。 ¾特点： ¾CPU利用率提高，能支持多道程序和设备 并行工作。 ¾数据传送过程中，中断次数较多；可能出 现数据丢失现象 操 作 系 统 | 设 备 管 理 17 CUIT 徐虹 设备 接收CPU发来的 START指令 数据—>寄存器 N 满？ Y 控制器发中断信号 CPU 向设备发START指令， 将中断允许位置1 调度程序调度其它进程 其它进程执行 N 收到中断信号？ Y 中断处理 被中断进程执行 操 作 系 统 | 设 备 管 理 18 CUIT 徐虹 ¾DMA方式 ¾在外围设备和内存之间开辟直接的数据 交换通路。信息的传送方向，传送的源 地址和目的地址及传送长度都由CPU控 制。 ¾特点 ¾数据传输的基本单位是数据块 ¾数据直接从设备到内存 ¾仅在传送开始和结束时才需CPU干预，传 送过程在控制器的控制下完成
Alternative DMA Configurations Alternative DMA Configurations Data LInes 作系统|设备理2 Interrupt e IA bus Alternative DMA Configurations Typical DMA Block Digram >DMA控制器的组成 与中断的区别 DMA的四类寄存器:命令状态寄存器CR 内存地址寄存器MAR、数据寄存器DR和 数据传送不由CPU控制完成 数据计数器 缺点 工作过程 使控制过程复杂化,可能产生内存地址 一多个DMA控制器的同时使用很不经济
4 操 作 系 统 | 设 备 管 理 19 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 设 备 管 理 20 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 设 备 管 理 21 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 设 备 管 理 22 CUIT 徐虹 操 作 系 统 | 设 备 管 理 23 CUIT 徐虹 ¾DMA控制器的组成 ¾DMA的四类寄存器：命令/状态寄存器CR、 内存地址寄存器MAR、数据寄存器DR和 数据计数器DC。 ¾工作过程 操 作 系 统 | 设 备 管 理 24 CUIT 徐虹 ¾与中断的区别 ¾中断处理的时间不同 ¾数据传送不由CPU控制完成 ¾缺点 ¾使控制过程复杂化，可能产生内存地址 冲突 ¾多个DMA控制器的同时使用很不经济
通道控制方式 >多通路1O系统 通道是一个独立于CPU的专管O控制 单通路1O系统 的处理机,它控制设备与内存直接进 一多通路I/O系统 行数据交换。通道的启动由CPU发指 通道程序 令执行 通道程序,并与设备控 器来共同 IO设备的控制的。通道程 序是由一 通道指令所构成。 字节多路通道 一数组选择通道 >工作过程 数组多路通道 例.一个进程的大小为5个贝面,为它分配了四个物理换 缓冲管理 当虚页4发生快风时 个物理块将被换出?并解释原因 页号块号加蒙时闻访同时间访闻位R修改位M 缓冲技术 引入原因: 提高CPU,通道,IO设备的并行能 11130 0226 162 改善CPU和O设备间速度不匹配的 3320 可减少中断CPU的次数,放宽CP对 11.IFO算法 2LRU算法 3. CLOCK算法 硬件缓冲器和软件级冲 单缓冲和双缓冲 rating system 单缓冲 vO Devlce 设:数据从磁盘一>冲区T 数据从缓冲区一用户区M CPU计算时间 则:对数据的处理时间为max(C,T+M 如无缓冲区,处理时间为:T+ vO Device j百 1/0 Buffering Schemes (input)
5 操 作 系 统 | 设 备 管 理 25 CUIT 徐虹 ¾通道控制方式 ¾通道是一个独立于CPU的专管I/O控制 的处理机，它控制设备与内存直接进 行数据交换。通道的启动由CPU发指 令执行。 ¾通道类型 ¾字节多路通道 ¾数组选择通道 ¾数组多路通道 操 作 系 统 | 设 备 管 理 26 CUIT 徐虹 ¾多通路I/O系统 ¾单通路I/O系统： ¾多通路I/O系统： ¾通道程序 ¾通道是通过执行通道程序，并与设备控制 器来共同实现对I/O设备的控制的。通道程 序是由一系列的通道指令所构成。 ¾工作过程 操 作 系 统 | 设 备 管 理 27 CUIT 徐虹 例．一个进程的大小为5个页面，为它分配了四个物理块。当前 每个块的情况如下表所示（都为十进制数，且从0开始计数 。）。当虚页4发生缺页时，使用下列的页面置换算法，哪 一个物理块将被换出？并解释原因． 页号 块号 加载时间 访问时间 访问位R 修改位M 2 0 60 161 0 1 1 1 130 160 0 0 0 2 26 162 1 0 3 3 20 163 1 1 １1. IFO算法 2. LRU算法 3. CLOCK算法 操 作 系 统 | 设 备 管 理 28 CUIT 徐虹 7．3 缓冲管理 ¾缓冲技术 ¾引入原因： ¾提高CPU，通道，I/O设备的并行能 力。 ¾改善CPU和I/O设备间速度不匹配的 情况。 ¾可减少中断CPU的次数，放宽CPU对 中断的响应时间。 ¾硬件缓冲器和软件缓冲 操 作 系 统 | 设 备 管 理 29 CUIT 徐虹 ¾单缓冲和双缓冲 ¾单缓冲 ¾设：数据从磁盘—>缓冲区 T ¾ 数据从缓冲区—>用户区 M ¾ CPU计算时间 C ¾则：对数据的处理时间为 max(C,T)+M ¾如无缓冲区，处理时间为：T+C 操 作 系 统 | 设 备 管 理 30 CUIT 徐虹