第五部分设备管理教学课件.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,5.1 I/O 系 统,5.1.1 I/O设备,1. I/O设备的类型,1) 按传输速率分类 低速设备,每秒钟几个字节至数百个字节,(键盘、 鼠标器、语音的输入和输出等设备) 中速设备,每秒钟数千个字节至数万个字节。(针式打印机、激光打印机等) 高速设备, 数百千个字节至数十兆字节。 (磁带机、 磁盘机、 光盘机等),2) 按信息交换的单位分类 块设备(Block Device),用于存储信息。(以数据块为存取单位),如磁盘,每个盘块的大小为512 B4
2、KB。特征: 1、传输速率较高 2、可寻址(可随机读/写任一块);3、DMA方式。 字符设备(Character Device),用于数据的输入和输出。 其基本单位是字符, 故称为字符设备。如打印机,特征: 1、传输速率低 2、不可寻址(不能指定源地址和目标地址) 3、中断驱动,3) 按设备的共享属性分类 这种分类方式可将I/O设备分为如下三类: 独占设备。 (临界资源) (2) 共享设备。 (一段时间允许多个进程同时访问,如磁盘) (3) 虚拟设备。 (将一个独占设备变换为若干逻辑设备,如CPU),2. 设备与控制器之间的接口,输出:先到缓冲,再到转换器(信号/数据) 输入:先到转换器,再到
3、缓冲 控制信号:读操作,写操作,磁头移动等 状态:正在读或写,读写完成等,5.1.2 设备控制器,1. 设备控制器的基本功能,接收和识别命令(CPU的命令。控制寄存器存放命令和参数,译码,如磁盘的read,write,format) 2) 数据交换 (控制器中数据寄存器,CPU/控制器/设备) 3) 标识和报告设备的状态 (状态寄存器) 4) 地址识别 (每个设备都有一个地址,配有地址译码器) 5) 数据缓冲 (IO设备与CPU之间速度矛盾,主机/控制器/设备) 6) 差错控制 (对IO设备传来的数据进行差错检测),2. 设备控制器的组成,图 5-2 设备控制器的组成,三部分组成: 1、设备控
4、制器与处理器的接口 三类信号线:数据线、地址线、控制线 两类寄存器:数据寄存器、控制状态寄存器 2、设备控制器与设备的接口 一个控制器可接多个设备,一个接口接一个设备 3、IO逻辑 实现对设备的控制, CPU启动设备过程:发送控制命令和地址给控制器,IO逻辑接收命令并译码,5.1.3 I/O通道,1. I/O通道(I/O Channel)设备的引入,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,并通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。 IO通道的目的使原来由CPU执行的IO任务承担下来 但I/O通道又与一般的处理机不同: 指令类型单一,主要局限于与I/O操作有关的指令; 通道
5、没有自己的内存,与CPU共享内存。,2. 通道类型,1) 字节多路通道(Byte Multiplexor Channel),图 5-3 字节多路通道的工作原理,字节多路通道不适于连接高速设备,2) 数组选择通道(Block Selector Channel),可以连接多台高速设备, 只含有一个分配型子通道,在一段时间内只能控制一台设备进行数据传送,并独占该通道。 这种通道的利用率很低。,3) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel) 数组多路通道是以上二种通道结合而形成的一种新通道 数据传送是按数组方式进行 有多个非分配型子通道, 数据传输速率很高,通道利用率也高 广
6、泛地用于连接多台高、中速的外围设备,3. “瓶颈”问题,图 5-4 单通路I/O系统,图 5-5 多通路I/O系统,多通路方式:增加通路,不增加通道,通道很贵,解决了:瓶颈,增加了可靠性,5.1.4 总线系统,图 5-6 总线型I/O系统结构,对总线的时钟频率,带宽,传输速率要求越来越高。,2. 局部总线(Local Bus),VESA(Video Electronic Standard Association)总线 2) PCI(Peripheral Component Interface)总线 EISA,VESA,PCI,AGP,PCI-Express(1X-16X最高可达到10GB/s
7、),5.2 I/O控制方式,5.2.1 程序I/O方式 (轮询方式或忙等待方式),CPU发出指令后,置busy =1,不断测试busy,直到busy=0表示指令完成 CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成循环测试中,造成对CPU的极大浪费。,图 5-7 程序I/O和中断驱动方式的流程,5.2.2 中断驱动I/O控制方式,CPU发出IO指令后返回继续执行原任务,控制器完成指令后向CPU发出中断信号,CPU利用花费极短时间处理中断 CPU与I/O设备并行工作,提高资源利用率及吞吐量。 例如,从终端输入一个字符的时间约为100 ms, 而将字符送入终端缓冲区的时间小于 0.1 ms。 此方式,
8、CPU约有 99.9 ms的时间处于忙等待中。 采用中断驱动方式后,CPU可利用这 99.9 ms的时间去做其它事情,而仅用 0.1 ms的时间来处理由控制器发来的中断请求。 程序IO和中断IO都是以字为单位进行干预。 如从硬盘读1K的数据块,要中断1K次。,5.2.3 直接存储器访问DMA I/O控制方式,1. DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入, 数据传输的基本单位是数据块; 所传送的数据是从设备直接送入内存的,或者相反; 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时,才需CPU干预,整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。 可见,DMA方式成百倍地减少了CPU对I
9、/O的干预。,2. DMA控制器的组成,图 5-8 DMA控制器的组成,在DMA控制器中设置如下四类寄存器: (1) 命令/状态寄存器CR。用于接收从CPU发来的I/O命令或有关控制信息, 或设备的状态。 (2) 内存地址寄存器MAR。在输入时,它存放把数据从设备传送到内存的起始目标地址;在输出时,它存放由内存到设备的内存源地址。 (3) 数据寄存器DR。用于暂存从设备到内存,或从内存到设备的数据。 (4) 数据计数器DC。 存放本次CPU要读或写的字(节)数。,5.2.4 I/O通道控制方式,1. I/O通道控制方式的引入,以一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预。 可实现CP
10、U、通道和I/O设备三者的并行操作 例如,当CPU只需向I/O通道发送一条I/O指令,以给出通道程序的首址和要访问的I/O设备,通道接到并执行该指令。,2. 通道程序 由一系列通道指令构成,操作码。( 读、写、控制) (2) 内存地址。 (读出或写入时的内存首址) (3) 计数。 (读、写数据字节数) (4) 通道程序结束位P。(通道程序最后一条指令) (5) 记录结束标志R。 (R0代表数据在同一记录,R1表示记录的最后一条数据),指令包含信息:,5.3 缓 冲 管 理,5.3.1 缓冲的引入,缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 (2) 减少CPU的中断频率,放宽CPU中断响应时间的
11、限制。 (网络通信,906K/S,100us中断一次,否则缓冲区内数据冲掉) (3) 提高CPU和I/O设备之间的并行性。,图 5-10 利用缓冲寄存器实现缓冲,5.3.2 单缓冲和双缓冲,1. 单缓冲(Single Buffer),图 5-11 单缓冲工作示意图,2. 双缓冲(Double Buffer),图 5-12 双缓冲工作示意图,图 5-13 双机通信时缓冲区的设置,单向,双向,5.3.3 循环缓冲 (速度相差很大时采用),1. 循环缓冲的组成(每个缓冲区大小相同;R:空,G:满,C:计算),图 5-14 循环缓冲,Nexti:指向下一个R,Nextg:指向下一个G,current:
12、指向正在计算,2. 循环缓冲区的使用,Getbuf过程。 计算过程:Current Nextg,Nextg移向下一个G 输入过程:当前Nexti指向的R提供出来,Nexti 指向下一个R。 (2) Releasebuf过程。 计算过程将C中的数据取完,用Releasebuf 将C释放,3. 进程同步,Nexti指针追赶上Nextg指针。 说明:输入数据大于处理数据,全部缓冲区已满。 (2) Nextg指针追赶上Nexti指针。 说明:输入数据小于处理数据,全部缓冲区已空。,5.3.4 缓冲池(Buffer Pool),1. 缓冲池的组成,三种类型的缓冲区: 空(闲)缓冲区; 装满输入数据的缓冲
13、区; 装满输出数据的缓冲区。 形成以下三个队列: (1)空缓冲队列emq。 (2) 输入队列inq。 (3) 输出队列outq。,3. 缓冲区的工作方式,图 5-15 缓冲区的工作方式,1、收容输入:调用Getbuf(emq)在emq中摘下一空区,并装满数据,挂到inq中。 2、提取输入:调用Getbuf(inq)从inq摘一区,提取数据,并挂入emq。 3、收容输出:调用Getbuf(emq)从emq中摘一区,装入输出数据,并挂入outq。 4、提取输出:调用Getbuf(outq)从out中摘一满区,提取数据,并挂入emq。,5.4 设 备 分 配,5.4.1 设备分配中的数据结构,1.
14、设备控制表DCT,图 5-16 设备控制表,2. 控制器控制表、 通道控制表和系统设备表,图 5-17 COCT、 CHCT和SDT表,5.4.2 设备分配时应考虑的因素,1. 设备的固有属性,独享设备。 (2) 共享设备。 (3) 虚拟设备。,2. 设备分配算法,先来先服务。 (2) 优先级高者优先。,3. 设备分配中的安全性,安全分配方式 一旦发出IO申请,便阻塞,不再继续运行,直到IO操作完成。摒弃“请求并保持”,防止死锁。 2) 不安全分配方式 发出IO申请后继续运行,需要时再发出IO申请, 允许“请求并保持”,但进行安全计算。,5.4.3 设备独立性,1. 设备独立性(Device
15、Independence)的概念 即:应用程序独立于具体使用的物理设备。 逻辑设备和物理设备这两个概念。 请求时使用逻辑设备名称;实际执行时使用物理设备名称。 系统须具有将逻辑设备名称转换为物理设备名称的功能。,在实现了设备独立性的功能后,可带来以下两方面的好处。 1) 设备分配时的灵活性 避免了因指定物理设备,可能已被用,而不能用同类空闲设备。 2) 易于实现I/O重定向 不必改应用程序,便可实现设备重定向,如屏幕输出转为打印输出。,2. 设备独立性软件 ( 在驱动程序上的一层软件),1) 执行所有设备的公有操作 对独立设备的分配与回收; 将逻辑设备名映射为物理设备名,进一步可以找到相应物理
16、设备的驱动程序; 对设备进行保护,禁止用户直接访问设备; 缓冲管理,即设备的缓冲区进行有效的管理,以提高I/O的效率; 差错控制。绝大多数错误主要由设备驱动程序处理,而设备独立性软件只处理那些设备驱动程序无法处理的错误。,2) 向用户层(或文件层)软件提供统一接口 无论何种设备, 它们向用户所提供的接口应该是相同的。 例如, 对各种设备的读操作,在应用程序中都使用read; 而对各种设备的写操作,也都使用write。,3. 逻辑设备名到物理设备名映射的实现,逻辑设备表 2) LUT(Logic Unit Table)的设置问题,图 5-18 逻辑设备表,一个进程一个LUT(多用户),整个系统一
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