操作系统-设备管理

缓冲 转换器
信号 数据
状态信号线
控制逻辑
控制信号线
图5-1 设备与控制器间的接口
控数制据信信号号线线：：作用为于设在备设控备制和器设向备I控/O制设器备之发间送传控送制数信据号信时号的。通输路入。设备：外界 状输态入信的号信线号：经用该转于信换传号器送规转指定换示了后设设形备备成当将的前要数状执据态行，的的通信操常号作先。：送入缓冲器中，当数据量达 到一定的比特设读数备操后的作，当（再前指从状由缓态设冲有备器：向通控过制一器组传数送据数信据号）线传送给设备控制器。输 出设备：将从正写设在操备读作控（（制写从器）控经制过器数接据收信数号据线）传送来的一批数据先暂存于缓冲器 中，经转换器设作备适已当读转（换写后），完再成逐，个并字准符备地好输新出的。数据传送。
中写入一个字（节）； 3 主机设置命令就绪位； 4 当控制器注意到命令就绪位已被设置，则设置忙位； 5 控制器读取命令寄存器，并看到写入命令，它从数
通道价格昂贵，通道数量势必减少。这往往又使 它成了I/O的瓶颈，从而造成整个系统吞吐量的下 降。假设设备1至设备4是四个磁盘，为了启动磁 盘4，必须用通道1和控制2；但若这两者已被其他 设备占用，必然无法启动磁盘4。
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瓶颈问题的解决
通道1 存储器
通道2
控制器1 控制器2
I/ O设备 I/ O设备 I/ O设备 I/ O设备
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程序控制（忙—等待或轮询方式）
系统中没有中断机构，I/O操作由程序发起，并等 待操作完成。数据的每次读写均通过CPU。 – 例如：当主机要通过端口来写出数据时，主机 与控制器之间的握手协议如下：
缺点：在外设进行数据处理时，CPU只能等待， 致使CPU利用率很低。
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六个步骤
1 主机不断地读取忙位，直到该位被清除； 2 主机设置命令寄存器中的写位并向数据输出寄存器
即设置I/O通道的目的是使一些原来由CPU处理的I/O任务转 由通承担，从而把CPU从繁杂的I/O任务中解脱出来。
设置了通道后，CPU只需向通道发送一条I/O指令。通道收 到该指令后，便从内存中取出本次要执行的通道程序，然 后执行该通道程序；仅当通道完成了规定的I/O任务后，才 向CPU发中断信号。
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。
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设备管理的目的和功能
外设管理功能
设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相 应的通道、控制器。
设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率（主要是
磁盘）。
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5.1.2 设备控制器
设备控制器是计算机中的一个实体，其主要 职责是控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设 备和计算机之间的数据交换。
它是CPU与I/O设备间的接口，它接收从CPU 发来的命令，并去控制I/O设备工作，使处理 机从繁杂的设备控制事务中解脱出来。
它是一个可编址的设备，当它仅控制一个设 备时，它只有一个唯一的设备地址；若控制 多个设备时，则应含有多个设备地址，并使 每一个设备地址对应一个设备。
总线的工作频率
• 总线的工作时钟频率以MHZ为单位，工作频率 越高，总线工作速度越快，总线传输速率越高。
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ISA和EISA总线
80286微机的总线。带宽为8bit，最高传输 速率为2Mb/s，可以连接12台外部设备。
扩展ISA即EISA总线：带宽16位。传输速 率高达32Mb/s，可以连接12台外部设备。
常见的系统总线标准有ISA、EISA、PCI等 总线
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总线的主要技术指标
总线数据传输速率
• 单位时间内总线上传送的数据量，即每钞钟传送 Mb的最大稳态数据传输率。
• 总线数据传输速率＝总线的工作频率*总线的位 宽/8 。
总线的带宽
• 总线的带宽指的是总线能同时传送的二进制数据 的位数，或数据总线的位数，即32位、64位等总 线宽度的概念。
典型设备有：键盘、 鼠标器、语音输入和输出等。 • 中速设备
典型设备有：行式打印机、激光打印机等。 • 高速设备
典型设备有：磁带机、磁盘机、光盘机等。 15
按信息交换的单位分类 • 块设备： 这类设备用于存储信息。 属于有结构
设备。 典型的块设备是磁盘， 每个盘块的大小 为 512 B~4 KB 。传输速率较高，可寻址即对它 可随机地读 / 写任一块；磁盘设备的 I/O 常采用 DMA 方式。 • 字符设备： 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。 按设备的共享属性分类 独占设备 共享设备 虚拟设备
I/O SYSTEMS
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计算机系统的一个重要组成部分是I/O系统。 I/O系统包括：输入设备
输出设备 设备控制器 I/O通道或I/O处理机 设备管理的对象主要是：I/O设备
设备控制器 I/O通道
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设备管理的基本任务是：完成用户提出的I/O 请求，提高I/O速率，提高I/O设备的利用率。
控制器与处理机接口 该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。
控制器与设备接口 可以连接一个或多个设备。在每个接口中都存 在数据、控制和状态三种类型的信号。控制器 中的I/O逻辑根据处理机发来的地址信号去选择 一个设备接口。
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I/O逻辑
I/O逻辑用于实现对设备的控制：它通过一组控制线与处理机交 互， 处理机利用该逻辑向控制器发送I/O命令； I /O逻辑对收到 的命令进行译码。每当 CPU要启动一个设备时，一方面将启动 命令发送给控制器； 另一方面有通过地址线把地址发送给控制
数组多路通道 上面两种通道技术的结合 有多个非分配型子通道 该通道能被广泛地用于连接多台高、中速的外 围设备 பைடு நூலகம் 具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意 的通道利用率
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存储 器
瓶颈问题
通道1
控制 器1 控制 器2
通道2
控制 器3 控制 器4
设备1 设备2 设备3 设备4 设备5 设备6 设备7
A1B1C1…A2B2C2…
A1A2A3…子通道A 控制器A
设备
B1B2B3…子通道B 控制器B
C1C2C3…子通道C 控制器C
…
控制器D N1N2N3…子通道N 控制器N
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数组选择通道 字节多路通道不适合连接高速设备 数组选择通道可以连接多台高速设备 该通道只含有一个分配型子通道 这种通道的利用率很低
解决方法：增加设备到主机间的通路而不增加通
道。就是把一个设备连接到多个控制器上，而一 个控制器又连接到多个通道上。图中的设备1、2、 3、4都有四条通往存储器的通路。多通路方式不 仅解决了瓶颈问题，而且提高了系统的可靠性。
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5.1.4 总线系统
总线是许多信号线的集合，它是微型计算机 芯片间、各部件间和外部设备间相互进行信 息或数据交换的通路。由于计算机内部定向 的信息流和数据流在总线中的流动，就形成 了计算机的各种操作。
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2.设备与控制器之间的接口
通常，设备并不直接与CPU进行通信， 而是与设 备控制器通信。因此， 在I/O设备中应含有与设 备控制器间的接口。在该接口中有三种类型的信 号各对应一条信号线。
设备与控制器之间的接口 数据信号 控制信号 状态信号
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I/ O设备
至设备 数据信号线 控制器
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5.1.2 设备控制器
它可分为两类：控制字符设备的控制器 控制块设备的控制器
设备控制器的基本功能 书P162
接收和识别命令 数据交换 设备状态的了解和报告 地址识别 数据缓冲 差错控制
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设备控制器的组成
由于设备控制器位于CPU与设备之间，它既要与 CPU通信，又要与设备通信，还应具有按照CPU 所发来的命令区控制设备工作的功能。因此有以 下三部分组成：
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5.1 I/O系统
• I/O系统的结构
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A typical PC bus structure
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5.1.1 I/O设备
1.I/O设备的类型
I/O设备的类型繁多，从OS观点看，其重要的性 能指标有：数据传输速率、数据的传输单位、设备 共享属性等。
按传输速率分类 • 低速设备
基本的I/O硬件像接口，总线，设备控制器
技术的发展顺应了I/O设备的广泛变化。
操作系统内核用各种设备驱动模块来组织
I/O子系统结构 。
问题：性能和复杂。
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设备管理的目的和功能
外设管理目的
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。
设备管理的主要功能有：缓冲区管理 设备分配 设备处理 虚拟设备 实现设备独立性
设备管理是OS中最繁杂且与硬件最紧密相关 的部分。
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本章总览
OS在 I/O方面的功能是管理和控制 I/O操作
和I/O设备。
I/O技术表现出两大相冲突的发展趋势：
硬件接口的标准化程度的提高
设备类型的更多样化的高速发展
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5.2 I/O控制方式
I/O控制方式是随着计算机技术的发展而不断发展的。 在I/O控制方式的整个发展过程中，始终贯穿的宗旨是： 尽量减少主机对I/O控制的干预，把主机从反之的I/O控 制事物中解脱出来，以便更多地去完成数据处理任务。
早期采用程序控制I/O方式； 当在系统中引入中断机制后，便发展为中断驱动方式; 随着DMA控制器的出现，又使I/O方式在传输单位上发
器，由控制器的I/O逻辑对收到的地址进行译码，再根据所译出 的命令对所选设备进行控制。
CP U与控制器接口
控 制 器与 设 备 接口
数据 线
地址 线 控制 线
数据 寄存器
控制 /状态 寄存 器
I/ O逻辑
… …
控制 器 与设 备 接口 1
控制 器 与设 备 接口i
数据 状态 控制
数据 状态 控制
图5-2 设备控制器的组成
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5.1.3 I/O通道
在CPU与I/O设备之间增加了设备控制器后，已能大大减少 CPU对I/O的干预，但当主机所配置的外设很多时，CPU的 负担仍然很重。为此，在CPU和设备控制器之间又增设了 I/O通道。
其主要目的是为了建立独立的I/O操作，不仅使数据的传送 能独立于CPU，而且I/O操作的组织、管理及结束处理尽量 独立，以保证CPU有更多的时间进行数据处理。
生了变：即从以字节为单位的传输扩大到以数据块为 单位进行传输。从而改善了块设备的I/O性能； 通道的引入，又使对I/O操作的组织和数据的传送都能 独立进行而无需CPU干预。
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I/O控制方式
程序控制I/O(programmed I/O) 中断驱动方式（interrupt－driven I/O） 直接存储访问方式（DMA，Direct Memory Access） I/O通道控制方式 (channel (channel control)
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局部总线
局部总线是指将多媒体卡，高速LAN网卡，高性 能图形板等从ISA总线上卸下来，再通过局部总 线控制器直接连接到CPU总线上，使之与高速 CPU总线相匹配。局部总线中较有影响的是 VESA和PCI总线。
VESA：带宽32位。最高传输速率132Mb/s，仅能 连接2~4台设备。
PCI：PCI在CPU和外设之间插入一复杂的管理层， 用于协调数据传输和提供一致的接口。PCI能支 持10种外设，最大传输速率可达132Mb/s。是当 前广为流行的总线。
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I/O通道是一种特殊的处理机，具有执行I/O指 令的能力。
通过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。 其指令类型单一主要局限于与I/O操作有关的指
令 通道没有自己的内存，通道所执行的通道程序
是放在主机的内存中的。
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通道类型
字节多路通道
一种按字节交叉方式工作的通道。它通常含有许多非分配型子通道， 其数量从几十 到几百个，每一个子通道连接一台I/O设备，并控制该设备的I/O操作。这些子通道按 时间片轮转方式共享主通道：当第一个子通道控制其I/O设备完成一个字节的交换后, 便立即腾出主通道，让给第二个子通道使用；当所有子通道轮转一周后，重又返回 由第一个子通道去使用主通道。这样，只要字节多路通道扫描每个子通道的速率足 够快，而连接到子通道上的设备的速率不是太高时，便不致丢失信息。