设备管理ppt课件.ppt
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1、设备管理,概述 I/O系统 设备 管理的目标、功能 I/O软件系统 设备管理相关技术 设备处理,一、概述,1、I/O系统 (1)I/O系统的组成 (2)I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 CPU性能越高,与I/O差距越大 弥补:更多的进程;但进程切换多,系统开销大,(3)OS庞大、复杂主要源于I/O系统 外设种类繁多,结构各异 输入输出数据信号类型不同 速度差异很大 (4)与其他功能联系密切,特别是文件系统和磁盘存储系统,(1)按使用特性分 存储型设备 输入型设备 输出型设备 输入输出型设备(交互型设备),2、设备的分类,(2)按数据组织分 块
2、设备 以数据块为单位存储、传输信息 字符设备 以字符为单位存储、传输信息,(3)按设备的从属关系分 系统设备 指操作系统生成时,登记在系统中的标准设备 (如终端、打印机、磁盘机等) 用户设备 指在系统生成时,未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供,并将其纳入系统,由系统代替用户实施管理。,(4)按资源分配角度分 独占设备: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) 虚拟设备: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,
3、用高速设备模拟低速设备,被模拟的设备称为虚拟设备 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(实例:SPOOLing技术,利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备),(5)从程序使用角度分 逻辑设备、物理设备 (6)按数据传输率分 高速设备、低速设备 (7)按接口分 与用户交流:显示器,键盘,鼠标,打印机等 与电子设备交流:磁盘、磁带等 通信:与远程设备通信:调制解调器,各类设备的差别: 数据传输率 应用 控制的复杂性 传输单位 数据表示 出错条件,(1)按照用户的请求,控制设备的各种操作,完成I/O设备与内存之间的数据交换(包括设备分配与回收;设备驱动程序;设备中断处理
4、;缓冲区管理),最终完成用户的I/O请求,3.设备管理的目标和任务,设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型,采用一定的分配算法,选择一条数据通路 建立统一的独立于设备的接口 完成设备驱动程序,实现真正的I/O操作 处理外部设备的中断处理 管理I/O缓冲区,功能,(2)向用户提供使用外部设备的方便接口,使用户摆脱繁琐的编程负担 方便性 友好界面 透明性 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节(设备的物理细节,错误处理,不同I/O的差异性),(3)充分利用各种技术(通道,中断,缓冲等)提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力,充分利用资源,提高资源利用率 并行性 均衡性(使设备
5、充分忙碌),(4)保证在多道程序环境下,当多个进程竞争使用设备时,按一定策略分配和管理各种设备,使系统能有条不紊的工作 (5)保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的,(6)与设备无关性(设备独立性) 用户在编制程序时,使用逻辑设备名,由系统实现从逻辑设备到物理设备(实际设备)的转换。这样,用户能独立于具体物理设备而方便地使用设备,用户申请使用设备时,只需要指定设备类型,而无须指定具体物理设备,系统根据当前的请求,及设备分配的情况,在相同类别设备中,选择一个空闲设备,并将其分配给一个申请进程 统一性: 对不同的设备采取统一的操作方式,在用户程序中使用的是逻辑设备,优点: 设备
6、忙碌或设备故障时,用户不必修改程序 改善了系统的可适应性和可扩展性,IO软件的基本思想是按分层的思想构成,较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性,较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口,二、I/O软件系统,设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序时,无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 统一命名。与设备独立性密切相关。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单的字符串或一个整数,不应依赖于设备 出错处理。一般来说,数据传输中的错误应尽可能地在接近硬件层上处理 处理可共享设备和独占设备的管理,1. IO软件系统的目标,2.中断处理程序,每个进程在启动一个IO
7、操作后阻塞 直到IO操作完成并产生一个中断 由操作系统接管CPU后唤醒该进程为止,3.设备驱动程序,与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中,每个设备驱动程序处理一种设备类型 每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器,用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令,并监督它们正确执行 一般,设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求,并执行这个请求,4.与设备独立的软件,虽然IO软件中一部分是设备专用的,但大部分软件是与设备无关的。设备驱动程序与设备独立性软件之间的确切界限是依赖于具体系统的,实现所有设备都需要的功能,并且向用户级软件提供一个统一的接口 资源对象统一命
8、名。独立于设备的软件负责把设备的符号名映射到正确的设备驱动上 设备保护。防止无权存取设备的用户存取设备 不同磁盘可以采用不同的扇区尺寸。向较高层软件掩盖这一事实并提供大小统一的块尺寸,这正是设备独立软件的一个任务。它可将若干扇区合成一个逻辑块。这样,较高层的软件只与抽象设备打交道,独立于物理扇区的尺寸而使用等长的逻辑块 缓冲技术 设备分配 出错处理,5.用户空间的IO软件,尽管大部分IO软件都包含在操作系统中,但仍有一小部分是由与用户程序连接在一起的库过程,甚至完全由运行于核外的程序构成。系统调用,包括IO系统调用,通常由库过程实现 这些过程所做的工作只是将系统调用时所用的参数放在合适的位置,
9、由其它的IO过程实际实现真正的操作,(1)用户进程层执行输入输出系统调用,对IO数据进行格式化,为假脱机输入输出作准备 (2)独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配 (3)设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态 (4)中断处理程序负责IO完成时,唤醒设备驱动程序进程,进行中断处理 (5)硬件层实现物理IO的操作,三、设备管理有关技术,1.Spooling技术 一个虚拟设备 一个资源转换技术 (用空间换取CPU时间),(1)定义:通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机,对外部设备实现统一管理,代替CPU对输入/输出操作进行控制,从而使
10、输入,输出操作可与CPU并行操作。 可以执行通道程序,2.通道技术,(2)引入通道的目的 为了使CPU从I/O事务中解脱出来,同时为了提高CPU与设备,设备与设备之间的并行工作能力,字节多路通道 字节多路通道以字节为单位传输信息,它可以分时地执行多个通道程序。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,终端。 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,(3)分类,选择通道 选择通道是以成组方式工作的,即每次传送一批数据,故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能
11、执行一个通道程序,只允许一台设备进行数据传输,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,成组多路通道 它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行一条通道指令,然后自动转接,为另一台设备执行一条通道指令 主要连接高速设备 这样,对于连接多台磁盘机的数组多路通道,它可以启动它们同时执行移臂定位操作,然后,按序交叉地传输一批批数据。数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现,(4)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
12、。 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: 提高了控制器效率 提高可靠性 提高并行度,交叉连接,(5)通道工作原理 通道相当于一个功能简单的处理机,包含通道指令(空操作,读操作,写操作,控制,转移操作),并可执行用这些指令编写的通道程序,通道运算控制部件 通道地址字 CAW: 记录通道程序在内存中的地址 通道命令字 CCW: 保存正在执行的通道指令 通道状态字 CSW: 存放通道执行后的返回结果 通道数据字 CDW:存放传输数据 通道和CPU共用内存,通过周期窃取方式取得,通道命令 用于
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