操作系统_第九章

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1. 引言
B. 设备管理的功能和任务 ① 主要任务:
✓ 选择和分配输入输出设备以便进行数据传输工作。 ✓ 控制输入输出设备与内存之间交换数据。 ✓ 为用户提供一个透明接口。 ✓ 提高设备与CPU之间、设备与设备之间以及进程与进程之间的并行操作度。
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1. 引言
B. 设备管理的功能和任务 ② 主要功能:
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1. 引言
A. 设备的类别 ✓按照使用特性的分类: 存储设备、输入输出设备、终端设备以及脱机设备。 ✓按照从属关系的分类: 系统设备和用户设备。 系统设备:系统生成时已配置好的标准设备。(键盘、打印机等)
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1. 引言
A. 设备的类别 ✓按照信息组织方式: 字符设备:以字符为单位组织处理信息的设备。(键盘、终端和打印机等) 块设备:以字符块(固定大小的块)为单位组织处理信息的设备。(磁盘、磁带等)
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2. 数据传送控制方式
A. 程序直接控制方式 由用户进程直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送。 控制状态寄存器: 标志设备是否准备好数据交换的状态。 数据缓冲寄存器: CPU、内存与设备数据交换的缓冲区。
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2. 数据传送控制方式
A. 程序直接控制方式
发出Start命令
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2. 数据传送控制方式
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2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 定义:通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机,它控制设备与内存直接进行 数据交换。 作用过程: CPU发出启动指令,指出通道相应的操作和I/O设备,并启动通道,使通道从内存中调出相 应的通道指令执行。
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2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 通道指令 内容:被交换数据在内存中的位置、传送方向、数据块长度以及I/O设备地址信息等。 格式:操作码(读、写或控制)、计数段(数据块长度)以及内存地址段和结束标志组成。 Write 0 0 250 1850 Wirte 1 1 250 720
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2. 数据传送控制方式
C. DMA方式 DMA方式的传送结构
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2. 数据传送控制方式
C. DMA方式 DMA方式数据传送过程
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2. 数据传送控制方式
C. DMA方式 ✓DMA方式优点: 大大减少了一次数据传送的中断次数。 DMA的数据传送不经过CPU通过中断控制完成,多设备情况不会丢失数据。 ✓缺点: 多个DMA控制器同时使用会引起内存地址冲突,控制过程复杂。
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4. 缓冲技术
A. 缓冲的引入 缓冲的实现: ✓专用硬件缓冲器:I/O控制器中的数据缓冲器; ✓内存缓冲区:内存中划出一个具有n个单元的专用缓冲区。
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4. 缓冲技术
B. 缓冲的种类 ✓单缓冲:设备和处理机之间设置一个缓冲器,无法实现并行操作。 ✓双缓冲:两个缓冲器的简单说明模型,并无实际意义。 ✓多缓冲:把多个缓冲区连接起来组成两部分,一部分用于输入,一部分用于输出。 ✓缓冲池:多个缓冲区统一管理,既可以用于输入,也可以用于输出。 缓冲区属于临界资源,需要解决不同进程访问互斥问题。
A. 程序直接控制方式 缺点: ✓CPU和外围设备只能串行工作,CPU处理速度高,大部分时间处于忙等待。 ✓CPU一段时间只能和一台外围设备交换数据,不能实现设备与设备的并行。 ✓依靠测试标志触发器状态位来控制传送数据,无法处理设备产生的错误。 适用:CPU执行速度慢,外围设备少的系统。
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2. 数据传送控制方式
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 缓冲池的管理操作 数据进入缓冲池
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 缓冲池的管理操作 数据从缓冲池中被取出
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理源自文库缓冲池的管理操作
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5. 分配设备
✓设备、控制器和通道资源与CPU一样都属于进程需要竞争的资源。 ✓进程在使用设备之前需要向设备管理程序提出申请。 ✓设备管理程序根据相应的分配算法为进程分配设备。 ✓未得到设备分配的进程陷入等待状态。 设备分配管理的数据结构、分配策略原则以及分配算法。
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3. 中断技术
B. 中断的分类与优先级 不同中断的优先级不同
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3. 中断技术
B. 中断的分类与优先级 中断与陷阱的区别: ✓陷阱通常由处理机正在执行的现行指令引起,而中断则与现行指令无关的中断源引起。 ✓陷阱处理程序提供的服务为当前进程所用,而中断处理程序的服务不是为了当前进程的。 ✓CPU执行一条指令后,下一条指令执行开始前响应中断,而一条指令执行中也可以响应 陷阱,入错误指令处理。
B. 中断方式 中断方式的特点: ✓支持多设备并行操作。 ✓数据缓冲寄存器容量小,会造成多次中断,耗费CPU处理时间。 ✓多设备并行,中断次数增加,会造成CPU无法响应中断或出现数据丢失的现象。 ✓外围设备速度快时,可能会造成CPU来不及取数据而数据丢失的情况。
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2. 数据传送控制方式
C. DMA方式 直接存取方式(Direct Memory Access) 基本思想:外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。 传送字节计数器:对批量数据传送计数。 内存地址寄存器:确定传送的内存地址。
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4. 缓冲技术
A. 缓冲的引入 没有缓冲区的问题 ② I/O操作时,中断次数过多。 100个字符无缓冲区,需要中断100次,CPU进行100次中断处理。 解决方式: 加入100个字符的缓冲器,每次读满100个字符才触发一次中断,中断次数大大减少。
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4. 缓冲技术
A. 缓冲的引入 没有缓冲区的问题 ③ DMA或通道方式传送数据时瓶颈现象。 问题:没有专门的内存区域或缓冲区,要求数据的进程拥有的内存不足或计算内存地址困 难,会长期长有通道或DMA设备。 解决方式:增加内存缓冲区或硬件缓冲区。
B. 中断方式 利用中断方式来控制数据的传递。 中断请求线: 设备向CPU发送中断信号的结构。 中断允许位: 位于设备的控制状态寄存器中,是否允许中断的标志位。
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2. 数据传送控制方式
B. 中断方式 中断方式的传送结构
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2. 数据传送控制方式
B. 中断方式 中断方式的工作流程
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2. 数据传送控制方式
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3. 中断技术
A. 中断的基本概念 禁止中断: CPU内部处理机状态字(PSW)的中断允许位被清除,从而不允许CPU响应中断。 中断屏蔽: 中断请求产生后,系统用软件的方式选择的封锁部分中断,允许另外一部分中断响应。
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3. 中断技术
B. 中断的分类与优先级 中断分轻重缓急 根据中断源的产生分类: 内中断:处理机和内存内部产生的中断(陷阱trap)。包括程序运算错误、地址非法,时 间片中断,用户态到核心态的切换。 外中断:处理机和内存外部的中断。包括I/O设备发出的I/O中断,外部信号中断以及断点 调试触发的中断。
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 工作缓冲区的分类: a. 用于收容设备输入数据的收容输入缓冲区 hin; b. 用于提取设备输入数据的提取输入缓冲区 sin; c. 用于收容CPU输出数据的收容输出缓冲区 hout; d. 用于提取CPU输出数据的提取输出缓冲区 sout。
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 缓冲池的管理操作 ✓从3种缓冲队列中选取一个缓冲区的过程 take_buf(type); ✓把缓冲区插入相应缓冲队列 add_buf(type, number); ✓供进程申请缓冲区用的过程 get_buf(type, number); ✓供进程将缓冲区放入相应缓冲队列的过程 put_buf(type, work_buf)。 type:表示缓冲队列类型, number:缓冲区号,work_buf:工作缓冲区类型。
2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 通道的流程
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2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 通道的例子
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2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 通道的优点: ✓与DMA方式相比数据的传送方向、存放数据的内存地址、传送数据的长度不再需要CPU 控制而是由专门的通道来控制,减轻了CPU的压力。 ✓一个通道可以控制多台设备,而一个DMA控制器只能控制一台设备。
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5. 分配设备
A. 设备分配使用的数据结构 ① 设备控制表(DCT):系统生成或连接设备时创建,可以被动态修改。
✓ 设备标识符。用来区别设备。 ✓ 设备类型。比如终端设备、字符设备或是块设备。 ✓ 设备地址和设备号。和内存统一编址或单独编址。 ✓ 设备状态。正在工作还是空闲。 ✓ 等待队列指针。等待使用该设备的进程组成的队列。 ✓ I/O控制器指针。指向该设备相连接的I/O控制器。
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3. 中断技术
C. 软中断 通信进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式。 与硬中断不同: 接收软中断的进程必须等到占用处理机时相应的处理才能进行。
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3. 中断技术
D. 中断处理过程 ✓不同的中断源一般对应不同的中断处理子程序,这些子程序入口地址存放内存相应单元。 ✓不同的中断源对应不同的处理机状态字(PSW),这些PSW放在内存不同单元。 ✓中断向量:存放PSW与中断处理子程序入口地址构成。 ✓通过中断向量表可以快速定位中断响应优先级、中断处理子程序入口地址和对应的PSW。
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2. 数据传送控制方式
选择和衡量控制方式的原则: ✓数据传送速度足够高,又不丢失数据。 ✓系统开销小,所需处理控制程序少。 ✓充分发挥硬件资源能力,I/O尽量忙,CPU等待时间尽量少。
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2. 数据传送控制方式
外围设备和内存之间的数据传送控制方式: ✓程序直接控制方式 ✓中断控制方式 ✓DMA方式 ✓通道方式
操作系统
第九章 文件系统
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第九章 设备管理
1. 引言 2. 数据传送控制方式 3. 中断技术 4. 缓冲技术 5. 设备分配 6. I/O进程控制 7. 设备驱动程序
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1. 引言
A. 设备的类别 B. 设备管理的功能和任务
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1. 引言
A. 设备的类别 分类的目的: 计算机设备种类繁多,特性各异,操作方式差别很大,管理复杂。 简化设备管理程序,同类设备的硬件特性相似,管理程序差别不大。
✓ 提供和进程管理系统的接口: 当进程要求设备资源时,接口将进程要求转给设备管理程序。 ✓ 进行设备分配: 把设备分配给请求该设备的进程(按一定的分配算法),未分配的进程进入等待队列。
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1. 引言
B. 设备管理的功能和任务 ② 主要功能:
✓ 实现设备和设备、设备和CPU之间的并行操作: 3种执行方式:通道、DMA和中断技术。实现设备与内存之间的数据交换不会一直占用CPU。 ✓ 进行缓冲区管理: CPU、内存速度快,设备数据流通速度慢,缓冲区是用来解决速度不匹配问题的。 设备管理程序负责缓冲区的分配和释放。
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3. 中断技术
A. 中断的基本概念 中断(interrupt)是指计算机在执行程序期间,系统内发生任何非寻常或非预期的急需处 理的事件,使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序,待处 理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。 中断源:引起中断发生的事件。 中断请求:中断源向CPU发出请求中断处理信号。 中断响应:CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序。
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2. 数据传送控制方式
D. 通道控制方式 通道的类型 ✓字节多路通道:以字节为单位,用于大量低速设备,比如终端、打印机等。 ✓数组多路通道:以块为单位,用于中速块设备,具有传送速率较高,能分时操作不同设 备。 ✓选择通道:以块为单位,但不能分时,一次只能控制一台设备进行I/O操作。速率高。
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 缓冲池 缓冲首部:用来标识该缓冲器和用于管理的部分。 缓冲体:用来存放数据的部分。
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4. 缓冲技术
B. 缓冲池的管理 缓冲区队列: 空白缓冲区队列,队首指针F(em) ,对尾指针L(em); 装满输入数据的缓冲队列,F(in), L(in); 装满输出数据的缓冲队列,F(out), L(out)。
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3. 中断技术
D. 中断处理过程
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3. 中断技术
D. 中断处理过程
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4. 缓冲技术
A. 缓冲的引入 没有缓冲区的问题 ① 外设与CPU速度不匹配: 例如打印机慢,CPU输出数据时,需要等待打印机打印,CPU计算时,打印机空闲。 解决方式: CPU将数据送入缓冲区然后执行其他计算,打印机慢慢打印。
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