输入输出系统结构
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使用外设过程的管理。系统必须有一个合理的设备
分配机制,并且要保证系统的安全性,消除诸进程 竞争资源而导致死锁的现象。 设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁), 提高设备利用率。
设备分配策略
独占、共享和虚拟设备分配技术
• 设备分类: – 独占设备:打印机等; – 共享设备:磁盘、网卡等; – 虚拟设备 • 分配策略: – 独占方式: • 设备利用率不高,不利于共享 – 共享方式: – 虚拟方式: • 提高系统和I/O设备的利用率,减少进程在运行期 间等待I/O操作的时间。
设备独立性(物理设备和逻辑设备)
• 逻辑设备:用户程序中所涉及的该类物理设备 特性的抽象; • 目的:实现用户程序与物理设备的无关性 系统规定,在用户程序中不直接使用物理设备名, 而使用逻辑设备名。 优点:改善设备利用率,提高系统的可适应性和 可扩展性。 系统设置一张逻辑设备表LUT,以实现逻辑设备到 物理设备之间的映射。
直接存取访问方式(DMA,
Direct Memory Access)
由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值(如内存始址, 传送字节数),然后发起I/O操作,而后者完成内存与外设 的成批数据交换,在操作完成时由DMA控制器向CPU发出 中断。以“窃取”总线周期的方式,在存储器与外设间传 送数据。 优点:CPU只需干预I/O操作的开始和结束,而其中的一批 数据读写无需CPU控制,适于高速设备,常用于块设备传 输系统中。缺点:完成简单的数据传输,不能满足复杂I/O
设备分配算法
• 先请求先服务:按I/O请求的先后顺序,排成 I/O请求命令队列;按FCFS分配设备; • 优先权高者优先:依据进程的优先级,指定 I/O请求的优先级,排成不同优先级队列;按 优先级高低分配设备。对优先权相同的进程, 则按先请求先服务算法分配。
设备分配中的安全性
多进程请求使用I/O设备时,应进行安全性检查,以防止因 相互等待对方进程释放其所占设备而导致死锁。 静态分配法 动态分配法
在大、中型和高档小型计算机系统中,大多采用通道技术
System Bus
Processor
Channel Processor
Memory
I/O Bus
I/O Controller
I/O Controller
I/O Controller
I/O Controller
• 现代计算机I/O系统的结构:由通道、控制 器和设备三级组成
对不同设备都使用同一套界面。
设备独立性:
由操作系统实现具体设备的物理I/o操作,用户仅
使用逻辑设备名,这样用户仅与逻辑设备有关,而与具 体的物理设备无关--设备独立性。 一个程序应该与给定设备类型中的哪一台设备供其
使用无关。 要求用户程序尽可能地与设备类型无关。程序是从
“虚拟设备”上进行操作。
设备管理的目标
• 提高各种外部设备的工作效率
• 向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面
(设备的独立性)
• 对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法,
设计一个简练、可靠、易于维护的设备管理系 统。
向用户提供使用方便且独立于设备的统一界面
方便性: 由于具体物理设备的多样性、复杂性,编制输入 输出程序是相当复杂。由操作系统来负责输入输出工 作,使系统形成一种对“用户友好”的环境。 统一性:
System Bus
Processor
DMA Controller
I/O Controller
.....
I/O Controller
Memory
通道传送方式(channel) CPU与通道并行工作,由通道实现在存储器与外 设间数据转换与传送。 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。通道只能执行与I/O操作有关的指 令,其指令类型单一;通道没有自己的内存, 即通道与CPU共享内存。
二、 设备的简单分类
1. 按所属关系 系统设备 ––– 在o.s生成时已登记于系统中的 标准设备
用户设备 ––– 在o.s生成时未已登记于系统中 的非标准设备
2. 按资源分配角度: 独占设备 :一次只能分给一个用户使用 共享设备 : 可供多个作业进程共享 虚拟设备 : 使用spooling 技术 使独占型设备成为共享设备,从而提高了设备利 用率和系统的效率,这种技术被称为虚拟设备技术, 实现这一技术的硬件和软件系统被称为SPOOLing,或 称为假脱机系统。
5.3 输入输出系统结构
----I/O控制方式
程序查询方式
I/O操作由程序发起,并等待操作完成。数据的每 次读写通过CPU。在与外设传输数据时,首先查 询外设的状态,仅当外设准备好时,才在CPU与 外设间传输数据。 缺点:CPU与外设是异步工作的,在外设进行数 据处理时,CPU只能等待。 早期的设备控制方式采用。
提高各种外部设备的工作效率
并行性: 为了提高设备利用率和系统效率,设备管 理的设计应能使各设备的数据传输与CPU并行运 行,使各设备充分地并行工作。
有效性与均衡性:
由于输入输出操作往往成为计算机系统中的“瓶颈” 部分,因此设备管理设计应尽可能地使设备有效地工作, 考虑各设备忙闲的均衡性,避免忙闲不均现象。
本章的重要概念及相关要求
• 了解设备管理的目标、基本功能; • 通道工作方式:了解通道结构和连接方式 (四级连接、三级控制); • 设备分配:了解设备分配原则和策略。
程序中断方式
CPU与外设并行操作,仅当外设准备好向CPU传送
数据时,才向CPU发中断请求,请求CPU为其服务。
即转入中断服务程序,进行I/O服务,在主机与外 设间传送数据。 采用这种方式要求控制寄存器中有一个中断位。
优点:在外设进行数据处理时,CPU不必等待,可以
继续执行该程序或其他程序。 缺点:CPU每次处理的数据量少(通常不超过几个字 节),只适于数据传输率较低的设备。
对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法 计算机外部设备种类繁多,特性各异。 主要表现在: (1)速度 (2)传输单位
(3)容许的操作
(4)出错条件
设备管理的基本功能
• 记录系统中所有设备、控制wk.baidu.com和通道的状态,
以掌握系统中的I/O设备资源及其使用情况。
--I/O交通控制程序 • 按一定的算法在诸争用进程间调度和分配设备 -- I/O调度程序 • 完成实际的I/O操作--通道执行通道程序
3. 按基本信息单位分: 字符设备 ––– 处理信息以单个字符为单位, 慢(如:打印机) 块设备 ––– 以一组数据为单位 (512 字节 ) ,快 (如:磁盘)
设备管理目的
• 提高效率:提高I/O访问效率,匹配CPU和多
种不同处理速度的外设
• 方便使用:方便用户使用,对不同类型的设备
统一使用方法,协调对设备的并发使用 • 方便控制:方便OS内部对设备的控制:增加 和删除设备,适应新的设备类型
5.1 概述
一、 设备:
除cpu及内存以外的所有设备和装置(I/O设备,存储 设备等)。
外部设备:打印机、显示器、光盘、磁盘(硬、软)、 键盘、磁带等 存储设备:用来存放各种信息的设备称为存储设备, 例如,软盘、硬盘、光盘和磁带等; I/O设备:用来向计算机输入和输出信息的设备,如 键盘、鼠标、显示器、打印机等。 在现代计算机系统中有些设备既可以做存储设备,也 可以做I/O设备,例如,软盘、硬盘等。
• I/O操作要经过三级控制 :第一级由CPU执 行I/O 指令,启动或停止通道,查询通道状 态;第二级是在通道接收CPU的通道命令字 后,由通道执行为其准备的通道程序,向控 制器发命令;第三级由控制器根据通道发出 的命令控制外设完成I/O 操作。
5.2 设备分配
由于外设资源的有限,需解决进程间的外设共享问 题,以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程