第五章_设备管理

在 I/O 设备输入每个数据的过程中，由于无须 CPU 干
预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时， 才需 CPU 花费极短的时间去做些中断处理。可见，这样可使 CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源 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
操作系统
Operating System
教学目的
通过对本章地讲解是学生理解并掌握设 备管理的功能、I/O控制方式、缓冲区 管理、设备管理，以及磁盘存储管理。
本章重点：
输入输出控制方式 缓冲区的管理 设备分配和设备处理 磁盘调度 虚拟设备
本章难点：
对通道的理解 Spooling技术。
图5.5 DMA控制器与其他部件的关系
DMA控制器的组成
CPU 内存 主机—控制器接口 DR count MAR DC CR 命令 系统总线 控制器与块设备接口
I/O 控 制 逻 辑
DMA 控制器
…
图 5.6 DMA控制器的组成
为了实现在主机与控制器之间成块数据的直接交换， 必须
在DMA控制器中设臵如下四类寄存器： (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。
控制总线：指用来并行传送控制信息的一组线。
§ 5.CPU和I/O设备的总线。每个I/O设备都依 次连接到I/O总线上，这种连接使用了有3个元素的硬件构 件层次：I/O端口、I/O接口和设备控制器。 I/O总线 CPU
I/O设备 I/O端口 I/O接口 I/O控制器 图5.1 PC的I/O体系结构 I/O端口
抽象接口使广义的设备独立性成为可能，向用户展示一个大 大简化了的计算环境观点，同时，抽象接口也是提高效 率技术的前提。 广义的I/O设备独立性是指整个设备管理功能的抽象接口， 程序不关心物理设备的操作和组织细节，而只看到具有 逻辑名称和逻辑性质的逻辑设备和逻辑操作，不关心具 体I/O设备是哪一个具体设备或是哪一个文件，设备改 变而程序不变，不必修改，也不必重新编译。用户不必 关心设备的改变，这一事实所带来的问题应该由操作系 统来管理。所使用的设备的变化对程序是透明的。块设 备的设备独立性是由文件系统的文件目录概念提供的。
(3)保护:用户希望能安全正确地使用设备，即希望 由设备传送或管理的数据应该是安全的，不被破 坏和泄密。 另外，对设备拥有所有权的用户希望 设备不能被破坏。 系统如何阻止用户访问他们无权访问的设备呢？微 机系统多半不设保护，任何进程能做它想做的任 何事情。在大多数主机系统中，用户进程对I/O设 备的访问完全被禁止。在UNIX系统中，对应于I/O 设备的特别文件受一般的rwx位保护。系统管理员 据此为每台设备确定适当的授权。
(2)效率：非系统用户关心其程序的运行效率，系统用户关
心系统的利用率；非系统用户不希望程序等待设备，系 统用户不希望设备等待程序。 在现代操作系统中，已引入了大量的技术以提高设备与 CPU 的效率，例如中断、缓冲、 DMA 、通道等。因此，操作 系统设备管理的一个主要功能是采用各种纯软件或与硬 件配合的软件技术来提高设备效率和与此相关的系统效 率，提供物理I/O设备的共享并优化这些设备的使用， 同时借助抽象接口使得这些优化技术得以在内部实施而 对用户透明。
操作系统内核通过设备驱动程序与外部设备进行交互。 驱动程序是设备与内核其他部分之间的唯一接口。
文件系统是对设备操作的组织与抽象，而设备操作则 是对文件操作的最终实现。
2.I/O设备分类
字符设备（character device）
按信息组织方式
块设备（block device）
有结构，可寻址 独占设备
2.I/O系统的功能
(1)方便性：为了让用户能方便使用I/O设备，提供简便
易用的对逻辑设备进行逻辑操作的抽象接口；实现 抽象接口到物理接口的转化，即将高级逻辑操作转 化为低级物理操作。 抽象接口除了掩蔽硬件细节外还要掩蔽依赖于硬件的软件 技术细节。 设备抽象接口是由设备管理功能接口和文件系统功能接口 共同提供的，更准确地说，设备抽象接口包含在文 件系统统一接口中。
按设备使用的可共享性
共享设备
虚拟设备
存储设备
按设备的使用特性
输入/输出设备
§ 5.1.1 I/O体系结构
1.总线
在计算机系统中，数据信息是通过数据通道在 CPU、RAM 和I/O设备之间流动的。这些数据通道又称 为总线。 数据总线：指用来并行传送数据的一组线。
总线
地址总线：指用来并行传送地址的一组线。
第5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 I/O软件
5.1 I/O系统
1.基本概念
I/O系统：在操作系统中负责管理输入输出设备的部分 称为I/O系统。
I/O系统的基本功能：是为数据传输选择输入输出设备； 在选定的输入输出设备和CPU（或主存）之间交换数据。
为了实现起来方便，操作系统设计者把每个设备的I/O端口都组 织成一组专用寄存器：控制寄存器、状态寄存器、输入寄存 器、输出寄存器。
(2)I/O接口起翻译器的作用：把I/O端口中的值转换成
设备所需要的命令和数据；检测设备状态的变化，并对设 备状态寄存器（某一 I/O 端口）进行相应地更新。 I/O 接口 通过一条IRQ线连接到可编程中断控制器上，以使它代表相 应的设备发出中断请求。有两种类型的接口：专用 I/O接口 和通用I/O接口。
MAR 设 置 AR MAR和DC初值
启 动 DMA 传 送 命令
DMA工作过程
挪 用 存储 器 周 期 传送 数 据 字 存 储 器地 址 增 1 字 计 数寄 存 器 减 1 在 继 续执 行 用 户 程 序 的同 时 ,准 备 又 一次 传 送
DC ＝0 ? 是 请 求 中断
否
图 5.7 DMA方式的工作流程
程序直接控制方式优缺点 在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的
低速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待 I/O
设备完成数据 I/O的循环测试中， 造成对CPU的极
大浪费。
该方式优点：简单，易于理解。
图5.3 程序I/O方式流程图
【输入/输出控制-中断控制方式】
（ 1 ）进程需要数据时，将允许启动和允许中断的控制字 写入设备控制状态寄存器中，启动该设备进行输入操作。 （ 2 ）该进程放弃处理机，等待输入的完成。操作系统进 程调度程序调度其他就绪进程占用处理机。 （3）当输入完成时，输入设备通过中断请求线向CPU发出 中断请求信号。 CPU 在接收到中断信号之后，转向中断处 理程序。 （ 4 ）中断处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲寄存 器中的数据传送到某一特定单元中去，同时将等待输入完 成的那个进程唤醒，进入就绪状态，最后恢复现场，并返 回到被中断的进程继续执行。 （ 5 ）在以后的某一时刻，操作系统进程调度程序选中提 出的请求并得到获取数据的进程，该进程从约定的内存特 定单元中取出数据继续工作。
§5.1.2 I/O系统的功能
1.概述
在计算机系统中，I/O设备是人机对话的界面和 接口，而计算机系统的I/O设备种类繁多，千差万别。 另外，CPU性能高，而I/O设备性能低，属于低速设 备，因此I/O设备的性能常常成为系统性能的瓶颈。 用户对I/O设备的使用要求是方便、高效、安全 和正确。I/O系统的功能也就应该在计算机硬件结构 提供的既定设备范围及其连接模式下，完成用户对 I/O设备的使用要求。
在数据传送过程中，必不可少的一个硬件设备是I/O控制器， 它是操作系统软件和硬件设备之间的接口，它接收CPU的命令， 并控制I/O设备进行实际的操作。 发命令 CPU 执行 A进程 I/O 控制器 传数据 图5.2 程序直接控制方式 外设
程序直接控制方式下输出数据时的工作过程。
① 把一个启动位为“ 1”的控制字写入该设备 的控制状态寄存器。 ② 将需输出数据送到数据缓冲寄存器。 ③测试控制状态寄存器中的“完成位”，若为 0，转 ③ ，否则转④。 ④ 输出设备将数据缓冲寄存器中的数据取走 进行实际的输出。
送入终端缓冲区的时间小于 0.1 ms 。 若采用程序 I/O 方式， 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。 可见，中
断驱动方式可以成百倍地提高CPU的利用率。
专用I/O接口:专用于特定的硬件设备。有时专用 I/O
接口与设备控制器处于同一块卡中。
通用I/O接口:是用于连接外部设备的。并口可用于连
接打印机、可移动磁盘、扫描仪、备份设备、其他计算机 等等。
(3)设备控制器的主要作用：对从I/O接口接收到的高级命
令进行解释，并通过向设备发送适当的电信号序列强制设 备执行特定的操作；对从设备接收到的电信号进行转换和 适当地解释，并通过I/O接口修改状态寄存器的值。复杂的 设备通常需要设备控制器来驱动，而较简单的设备可以没 有设备控制器，如可编程中断控制器、可编程间隔定时器。 所有的PC机都包含DMAC（Direct Memory Access Controller）辅助处理器。DMA（直接内存访问）作为一 种输入输出方式，主要用来连接高速外围设备，如磁盘、 磁带等，控制数据在RAM和I/O设备之间传送。
(1)I/O端口（I/O port),即为连接到I/O总线上的设备的I/O 地址。 例IBM PC 体系结构中的I/O地址空间，一共有65536 个8位的I/O端口。CPU在执行指令时，使用地址总线选择所请 求的I/O端口，使用数据总线在CPU寄存器和I/O端口之间传送 数据。若I/O端口能被映射到内存物理地址空间，CPU和I/O设 备之间的通信就可以通过使用对内存进行操作的汇编语言指 令（如，mov、and、or等等）来实现。现代的硬件设备倾向 于把I/O端口映射到内存物理地址空间。