五章节设备管理.ppt
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1、第五章设备管理,5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 缓冲管理 5.4 设备分配 5.5 设备处理 5.6 磁盘存储器管理,I/O系统中,包括用于实现输入、输出和存储功能的设备和相应的设备控制器。在大中型机中,还有I/O通道或I/O处理机。 设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求,提高I/O速率、改善I/O设备的利用率。 设备管理的主要功能有,缓冲区管理、设备分配,设备处理,虚 拟设备以及实现设备独立性。,5.1 I/O系统,I/O系统是用于实现数据的输入、输出及数据存储的 系统。它除了需要直接用于I/O和存储信息的设备外 还需要相应的设备控制器和高速总线。 I/O 设备
2、设备控制器 I/O通道 I/O总线,1 I/O设备,设备的类型 1)按数据传输率分 高速设备 速率在每秒数百千个字节至数十兆字节。例如光盘机、磁带 机、磁盘机等。 中速设备 速率在每秒数千个字节至数万个字节。如打印机等。 低速设备 速率在每秒几个字节至数百个字节之间。如键盘、鼠标等。,2) 按信息交换的单位分,块设备 以数据块为单位存储、传输信息。典型的块设备是磁盘,每 个盘块的大小为512B4B。磁盘设备的基本特征是传输速 率较高。另一特征是可寻址,即对它可随机地读写任一块。 字符设备 以字符为单位存储、传输信息。字符设备的基本特征是速率 慢,不可寻址。 3) 按设备的共享属性分 独占设备
3、在一段时间内只能有一个进程使用的设备,一般为低速I/O设备。(如打印机,磁带等),共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备,多个进程以交 叉的方式来使用设备,其资源利用率高。(如硬盘) 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备,常用共享设备模拟独占设 备,用高速设备模拟低速设备,被模拟的设备称为虚设备 目的:将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备,提 高设备的利用率。,设备与控制器之间的接口,通常,设备并不直接与Cpu进行通信,而是与设备控制器通 信。因此,在设备与设备控制器之间应有一接口,在该接口中 有三种类型的信号,各对应一根信号线。 A 数据信号线 这类信号线用于在设备和设备控制器
4、之间传输数据信号。 B 控制信号线 这是设备控制器向I/O设备发送控制信号时的通路。 C 状态信号线 该信号线用于传送指示设备当前状态的信号。,2 设备控制器,设备控制器是计算机中的一个实体,其主要职责是控制一个 或多个I/O设备,以实现I/O设备与计算机之间的数据交换。 设备控制器是Cpu与I/O设备之间的接口,它接受从Cpu发来 的命令,并去控制I/O 设备工作,以便使处理器从繁重的设 备控制事务中解脱出来。 设备控制器是一个可编址的设备,当它仅控制一个设备时, 它只有一个唯一的设备地址。若控制器可连多个设备时,则 应含有多个设备地址,使每个设备地址对应一个设备。 设备控制器可分为两类,一
5、是用于控制字符设备的控制器, 另一个是控制块设备的控制器。,1 设备控制器的基本功能,1)接收和识别命令 Cpu可向控制器发送多种不同命令,设备控制器应能接收和 识别这些命令。 2)数据交换 它能实现Cpu与控制器之间、控制器与设备之间的数据交 换。 3)识别和报告设备的状态 控制器记下设备的状态供Cpu了解。 4)地址识别 5)数据缓冲 控制器必须设置一些缓冲器。 6)差错控制 设备控制器还对传来的数据进行差错检测。,2 设备控制器的组成,设备控制器由三部分组成。 1)设备控制器与处理机的接口 该接口用于实现Cpu与设备控制器之间的通信。 2)设备控制器与设备之间的接口 3)I/O逻辑 用于
6、实现对设备的控制。,3 I/O通道,1 通道的引入 虽然在Cpu与外设之间有设备控制器,但当外设很 多时,Cpu的负担仍然很重。为此,在Cpu与设备 控制器之间又增设了通道。使用通道的目的是为了 建立独立的I/O操作,不仅使数据的传输独立于Cpu, 而且尽可能地对I/O操作的组织、管理、及其结束也 独立,使Cpu从繁杂的I/O任务中解脱出来。 I/O通道是一种特殊的处理机,它具有执行I/O指令 的能力,并能通过执行通道程序来控制I/O操作。 I/O通道不同于一般的处理机,主要表现在2个方面:,指令类型简单 通道没有自己的内存 通道类型 A 字节多路通道 这是一种按字节交叉方式工作的通道。它有多
7、个子 通道,每个子通道连接一台I/O设备,并控制该设备 的I/O操作。这些子通道轮流方式共享主通道。当一 个通道程序控制某台设备传送一个字节后,通道硬 件就控制转去执行另一个通道程序,控制另一台设 备传送信息。 主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机等。 以字节为单位交叉传输,当一台传送一个字节后, 立即转去为另一台传送字节,B 数组选择通道,以成组方式进行数据传输,即每次传输一批数据。其传送速 率较高,主要用于连接高速I/O设备。由于数据选择通道在一 段时间内只能执行一个通道程序,控制一台设备,因此通道 的利用率很低。当这台设备数据传输完成后,再选择与通道 连接的另一台设备,执行它的
8、相应的通道程序。 主要连接 磁盘,磁带等高速I/O设备。,选择通道,C 数组多路通道,数组多路通道是将数组选择通道传输率高和字节多 路通道能使各个子通道分时并行操作的优点结合起 来而形成的一种新通道。它既具有很高的数据传输 率,又能获得令人满意的通道利用率。该通道广泛 用于连接多台高速、中速的外设。 硬件连接结构,通道:执行通道程序,向控制器发出命令,并具有向CPU发中 断信号的功能。 一旦CPU发出指令,启动通道,则通道独立于 CPU工作。一个通道可连接多个控制器,一个控制器可连接多 个设备,形成树形交叉连接 主要目的是启动外设时: a 提高了控制器效率 b 提高可靠性 c 提高并行度,3
9、“瓶颈问题”,由于通道少而外设多,造成整个系统吞吐量下降,形成瓶颈 问题。解决的办法是把外设连接到多个控制器上,而一个控 制器又连接到多个通道上。这样,不仅解决了瓶颈问题,而 且提高了系统的可靠性。,4 系统总线,总线是用来连接各种设备的。总线的性能是用总线 的时钟频率、带宽和相应的总线传输率等指标来衡 量的。 A ISA总线和EISA总线 ISA这是1984年推出的286型微机而设计的总线结构, 带宽8位,最高传输率2MB/s。 EISA 带宽32位,传输率32MB/s ,可同时连接12台 外设。 B 局部总线,多媒体技术的兴起,要求总线具有更高的传输率。 EISA已难于满足要求,局部总线应
10、运而生。 所谓局部总线,是指将多媒体卡、高速Lan网卡、 图形卡等从ISA上卸下来,再通过局部总线控制器直 接连到Cpu总线上,而打印机、CDROM等仍挂在 ISA总线上。 VESA 总线 总线带宽32位,最高传输率132MB/s,广泛用于 486微机中。 PCI 总线 这种总线支持64位系统。广泛用于奔腾系列计算机。,5.2 I/O控制方式,随着计算机的发展,I/O控制方式经历了四种形式,分别是程 序I/O方式,中断驱动I/O方式,DMA方式和通道方式。 程序I/O方式 早期的计算机系统中,处理机对I/O设备的控制采取程序I/O 方式,或称忙等待方式。处理机向控制器发出一条I/O指令 启动输
11、入设备输入数据时,把状态寄存器的忙/闲标准busy置 为1,然后不断地循环测试busy。当busy1时,表示设备还 没输入完,处理机应继续对busy进行测试,直至busy=0,表 明输入机已将数据送入控制器的数据寄存器中。于是cpu将 数据寄存器的数据读出,送入内存指定单元中。接着处理机 继续启动控制器,读下一个数据。,向I/O控制器发读命令,读I/O控制器状态,检查状态,从I/O控制器读入字,向存储器写字,流程完成?,未就绪,由于cpu高速而I/O设备低速,造成cpu极大浪费。,2 中断驱动I/O方式,当某进程要启动I/O设备工作时,便由cpu向设备控制器发出 一条I/O指令,然后cpu继续
12、执行原来的任务。设备控制器按 照命令的要求控制设备。此时,cpu与设备并行工作。当设 备工作完成时,才需要cpu花费极短的时间去做些中断出理。 在中断方式中,cpu和I/O设备都处于忙碌状态,从而提高整 个系统的资源利用率。 在I/O中断方式下,数据的输入(或输出)步骤如下: 设备驱动程序工作: 1、要求输入数据的进程把一个启动命令和允许中断位“1”写入相应设备的控制状态寄存器中,从而启动了该设备; 2、该进程因等待输入的完成进入睡眠状态。 3、当输入完成后,输入设备向CPU发出完成中断请求信号;,设备中断处理程序工作: 4、处理机响应中断,处理该中断,并唤醒等待输入完成的进程; 5、在以后的
13、某个时期,该程序被调度到后,继续运行。 这种方式的优点是大大地提高了CPU的利用效率,缺点是每次I/O都要CPU的干预,如果系统中配备了多台(套)设备时,CPU的利用率也会降低。解决的方法是采用通道技术,3 DMA控制方式(direct memory access),中断处理是以字为为单位进行I/O的,每当完成一个字节的 I/O时,便向cpu请求一次中断。而DMA方式与此不同。 DMA方式与中断的主要区别 中断方式传输的单位是字或字节,在数据完成后,发中断请求,CPU进行中断处理 DMA方式的传输单位是数据块,在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理 中断方式要求了CPU进行中
14、断处理的次数多,而DMA所 传送的数据是从设备直接到内存,或者相反。Cpu处理次数少 3 中断方式的数据传送是由CPU控制完成的 而DMA方式则是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的,DMA控制器的组成,DMA控制器由3部分组成。一是主机与DMA控制器的接口, 二是DMA与块设备的接口,三是I/O控制逻辑。 为了实现主机与控制器之间数据的直接交换,DMA控制器必 须设置如下四类寄存器。 1 命令/状态寄存器 CR 2 内存地址寄存器 MAR 3 数据寄存器DR 4 数据计数器 DC,DMA工作过程,DMA工作示例 (以硬盘为例),CPU提供 被读取块磁盘地址 目标存储地址 待读取字节数
15、 整块数据读进缓冲区 核准校验,控制器按照指定存储器地址,把第一个字节送入主存 然后,按指定字节数进行数据传送 每当传送一个字节后,字节计数器值减1,直到字节计数器等于0 此时,控制器引发中断,通知操作系统,操作完成,DMA实现流程,CPU向控制器发出启动DMA通知和有关参数,控制器向内存发出询问请求,访问内存(读、写),计数器减1,结束否,发中断,4 I/O通道控制方式,I/O通道方式是DMA方式的发展,它可进一步减少cpu的干预 把对一个数据块的读写为单位的干预,减少到对一组数据块 为单位的干预。同时,又可实现cpu,通道和I/O设备三者的 并行操作,从而有效地提高整个系统的利用率。 通道
16、的工作原理:,工作原理 CPU:执行用户程序,当遇到I/O请求时,可根据该请求生成通道程序放入内存(也可事先编好放入内存),并将该通道程序的首地址放入CAW中;之后执行“启动I/O”指令,启动通道工作,通道:接收到“启动I/O”指令后,从CAW中取出通道程序的首地址,并根据首地址取出第一条指令放入CCW中,同时向CPU发回答信号,使CPU可继续执行其他程序,而通道则开始执行通道程序,完成传输工作,5.3 缓冲管理,为了缓和CPU与I/O设备速度不匹配的矛盾,提高CPU与I/O 设备的并行性,几乎所有的系统引入了缓冲区。缓冲管理的 主要职责是组织好这些缓冲区,并提供获得和释放缓冲区的 手段。 1
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