8设备管理优质PPT.ppt

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系统设备系统配置的标准设备；

外部设备系统设备之外的特殊设备。

按使用方式分：

独占设备在进程运行期间为进程所独占使用；

共享设备允许多个进程同时使用；

虚拟设备在一类物理设备上模拟另一类物理设备，将独占设备转化为共享设备。

设备与设备控制器,计算机的I/O设备通常由物理设备和电子部件两部分组成。

物理设备是以某种物理方式运做，实际执行I/O操作的物理装置；

电子部件是以数字方式操作的硬件，用于与计算机接口，控制物理设备的操作。

I/O设备的电子部件称为设备控制器，物理设备就简称为设备。

设备控制器的组成,I/O端口：

通常包括数据寄存器、控制寄存器和状态寄存器。

每个I/O端口寄存器都具有一个可被CPU访问的独立的地址。

缓冲区：

用于存放批量传输的数据。

缓冲区地址被映射为内存地址，CPU可直接访问。

设备控制逻辑：

负责命令译码、状态解释、信息格式转换、传输控制。

中断与DMA控制：

控制发送/接收中断信号和DMA信号。

设备接口：

负责针对具体设备的信号发送、数据和状态采集等操作。

设备控制器结构,I/O接口,I/O接口：

计算机硬件结构提供的标准设备接口。

I/O接口实现了设备控制器中与CPU直接连接部分的功能，包括I/O端口、缓冲区、中断及DMA控制等。

连接到I/O接口的设备需要实现与设备直接相关的控制逻辑。

I/O接口分类：

通用I/O接口，如串/并口、USB接口等；

专用I/O接口，如IDE和SCSI接口。

设备与系统的连接,连接方式：

设备控制器（I/O接口）+设备。

I/O设备的资源：

为实现与系统的连接和通信，系统为控制器分配了一些资源，包括：

I/O端口地址：

控制器中的每个I/O端口寄存器都有一个唯一的地址，I/O端口地址的总和称为该设备的I/O范围。

IRQ：

设备申请中断使用的中断线号码。

内存地址：

缓冲区所占的内存地址范围。

DMA号：

申请DMA使用的DMA通道号。

PC机的硬件体系结构,PC机的硬件结构：

由CPU、存储器、I/O设备组成，通过总线连接。

PC机体系结构特点,特点：

以总线为纽带。

任何设备需交换数据时，先要申请总线使用权，获得使用权后独占总线进行通信。

两种数据交换路线：

CPU与慢速设备交换数据时，直接存取设备中的数据寄存器；

CPU与高速设备交换数据时，以DMA方式进行，数据直接送往存储器。

I/O系统的软件结构,8.2设备管理的相关技术,为了提高数据传输速率和系统的并发程度，优化系统的整体I/O性能，现代设备管理普遍采用了一些关键技术，主要有：

中断技术缓冲技术DMA技术,中断技术,中断：

当某事件发生时，中断系统向CPU发出中断信号，CPU中止当前的程序，转去执行相应的中断处理程序，完毕后返回断点继续执行原程序。

中断是并发的基础，因而是操作系统最基本的技术。

中断请求与响应,中断源：

引起中断发生的事件。

中断请求：

中断源通过中断线送到中断控制器的输入端，中断控制器捕获中断请求后，向CPU提交中断。

中断响应：

CPU收到中断信号后，暂停执行当前的进程，转入相应的中断处理程序进行处理。

中断响应的执行过程：

中止当前进程的执行；

保存当前进程的断点信息；

转到中断处理程序入口。

中断处理,每个中断都对应一个特定的中断处理程序。

所有中断处理程序的入口地址都保存在一个中断描述符表中。

响应中断后，CPU根据中断信号检索中断描述符表，得到相应的中断处理程序的入口地址并转去执行。

中断处理程序的执行过程：

保存现场对中断进行应答处理中断恢复现场中断返回,缓冲技术,缓冲的目的：

缓解CPU与外设之间的速度不匹配问题，提高CPU与外设之间的并行程度。

缓冲的思想：

在高速存储区内设置缓冲区。

进程要进行数据I/O时，高速地向缓冲区读/写一批数据，然后继续运行。

设备则按自己的速度从缓冲区中读/写数据并完成I/O操作。

缓存技术,缓存的目的：

减少启动设备的次数，提高系统的I/O效率。

缓存的思想：

在高速存储区内设置缓存区。

在数据传输过程中，缓存区起到I/O缓冲的作用，同时对数据保留备份。

当下一次访问数据时先在缓存区中查找，如果命中则立即从缓存中得到数据；

否则启动设备进行数据I/O操作。

缓冲的实现方法,硬缓冲：

外设自带缓冲区。

软缓冲：

在内存中开辟缓冲区。

缓冲区属临界资源，进程不可同时读写同一缓冲区。

单缓冲：

设置一个缓冲区，串行访问。

双缓冲：

设置两个缓冲区，可并行访问。

环形缓冲：

设置多个缓冲区，提高读/写的并行化程度。

缓冲池：

设置一组公用缓冲区，统一管理，供多个I/O进程共享。

DMA技术,引入DMA的目的是为了减少CPU对I/O传输过程的干预，实现批量数据传送。

DMA（直接存储器访问）的思想是用一个特殊的设备控制器（称为DMA控制器）来控制块设备，使其直接与主存交换数据。

DMA控制器能从CPU那里暂时地获得总线控制权，在没有CPU的参与下控制外设与内存直接传送数据。

整个传输过程只需一次中断CPU，因而系统效率显著提升。

DMA传输过程,DMA请求：

设备把数据准备好，放在缓存中，然后向DMA控制器提出请求。

DMA响应：

DMA控制器向CPU发出使用总线请求。

CPU响应该请求，与系统总线脱离，将总线使用权交给DMA控制器。

DMA传输：

DMA控制器控制设备直接与内存进行数据传输。

DMA结束：

完成规定的批量数据传送后，DMA控制器释放总线，向CPU发出DMA中断，由CPU处理DMA的结果。

8.3I/O控制方式,I/O控制就是控制数据在I/O设备与CPU、内存之间的传输。

I/O控制的宗旨是尽量减少CPU对I/O控制的干预，提高CPU与外设的并行化程度。

I/O控制方式主要有：

程序I/O方式中断驱动I/O方式DMA方式,程序I/O方式,CPU通过向控制器发I/O命令启动设备工作，然后循环检测状态寄存器中的“忙/闲”标志位，直到操作完成。

特点：

CPU与外设串行工作，效率低。

中断驱动I/O方式,CPU向控制器发出启动外设命令后，继续执行程序。

当外设完成I/O操作后，采用中断方式向CPU报告。

CPU转去进行中断处理，然后返回继续执行被中断的程序。

实现了CPU与设备并行工作，但频繁地处理I/O中断要占用CPU的大量时间。

DMA方式,由DMA控制器控制外设与主存之间直接交换一批数据。

CPU只在传输的开始和结束时进行干预。

提高CPU与外设的并行化程度。

8.4设备的分配,设备的分配：

为请求使用设备的进程分配设备。

分配策略：

独占分配：

同一时间只将设备分配给一个进程独占使用，直至操作完成。

分配算法有先来先服务、优先级等。

共享分配：

将设备同时分配给多个进程，由I/O调度程序调度对设备的访问。

虚拟设备的实现,虚拟设备：

采用spooling技术，在高速共享设备上模拟出多台低速独占设备，从而提高系统效率。

假脱机（spooling）技术：

在外存开辟缓冲区，称为“I/O井”。

用户进程需要与设备交换数据时，只对I/O井高速读写数据，由spooling系统控制在适当的时候将I/O井中的数据传输给实际设备。

对用户进程来说，I/O井就是一台虚拟的高速外设。

Spooling系统示意图,8.5设备的驱动,设备驱动程序是直接操纵设备控制器的软件。

它将上层的I/O请求转化为控制器命令，操纵控制器完成数据的传输。

每个控制器由一个特定的驱动程序控制。

驱动程序是内核的一部分，它们运行在核心态，可以直接访问控制器的I/O端口。

驱动程序与设备控制器的交互,驱动程序将控制命令发到控制器的命令寄存器中，控制器启动设备进行I/O操作。

当数据准备好后，驱动程序负责与控制器交互，完成数据传输工作。

控制器将设备产生的状态信息存入状态寄存器中，供驱动程序查询。

当有设备中断事件发生时，控制器发出中断请求，进入中断处理程序进行处理。

设备驱动程序与中断处理程序,驱动程序实施对设备的各项操作，包括：

设备初始化与复位；

设备的读写；

设备的控制；

设备的检测。

中断处理程序负责处理设备的所有中断事件，主要包括：

I/O结束中断的处理；

I/O出错中断的处理。

8.6Linux的设备管理,Linux设备管理的特点是良好的设备独立性。

系统把所有设备统一当作成文件来看待，只要安装它们的驱动程序，就可以象使用文件一样使用这些设备，而不必知道它们的具体存在形式。

Linux实现设备独立性的手段是通过分层软件结构，把设备纳入文件系统的管理之下，使进程通过文件系统的接口来使用设备。

设备的标识,Linux系统中，每个设备对应一个设备文件，用户通过文件名访问设备。

设备文件是特殊的文件，字符设备的文件类型为“c”，块设备的文件类型为“b”。

设备文件的文件名就是设备名，设备文件的访问权限就是对该设备的访问控制。

内核使用主设备号和次设备号来标识设备。

主设备号对应设备的控制器，次设备号用来区分同一控制器控制下的不同设备实例。

设备文件的描述,与普通文件一样，设备文件具有独立的i节点。

不同的是，设备文件的i节点不指向文件系统中的实际存储块，而是通过主设备号和次设备号指定相应的设备驱动程序。

与普通文件一样，每个打开的设备文件都对应一个VFSfile结构。

不同的是，普通文件的file结构中的操作函数集是标准的文件操作，而设备文件的file结构中的操作函数集是设备驱动提供的设备操作。

I/O软件结构,字符设备的注册描述,字符设备的VFS描述,打开后的字符设备如同打开后的文件一样，只不过它的文件操作集将文件操作映射到了设备驱动的I/O操作函数上。

字符设备的I/O方式,字符设备文件打开后，建立起VFSfile对象，将文件操作函数直接映射到设备驱动的函数上。

通过VFS访问设备时，file将对设备文件的读写转化为了对设备的I/O操作。

字符设备的文件操作集,字符设备的文件操作集主要包含以下函数：

open（）：

打开并初始化设备。

read（）：

从设备读数据。

write（）：

向设备写数据。

ioctl（）：

控制设备。

lseek（）：

设置读写位置。

release（）：

关闭设备。

块设备的I/O方式,为提高块设备的I/O性能，必须对块设备的I/O操作进行优化。

主要包括以下处理：

通用块层：

负责与VFS接口，将文件读写请求转化为对具体块设备的I/O请求。

I/O调度层：

负责处理对块设备的I/O请求，经过合并和排序，优化操作顺序，向设备驱动程序下达I/O操作命令。

设备驱动：

控制设备完成具体的I/O操作。

块设备的注册描述,通用块层,块设备的请求队列,块设备的VFS描述,打开后的块设备由如下对象描述：