操作系统设备管理.ppt
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设备管理设备管理DeviceManagement设备管理设备管理设备分配设备分配四四I/OI/O系统的组成系统的组成一一I/OI/O控制方式控制方式二二缓冲管理缓冲管理三三设备软件设备软件五五磁盘存储器管理磁盘存储器管理六六设备管理设备管理设备管理设备管理1.I/O1.I/O系统的组成系统的组成1.11.11.1I/O的特点的特点1.21.21.2I/O系统的结构系统的结构1.31.31.3I/O设备设备1.41.41.4设备控制器设备控制器1.51.51.5I/O通道通道1.61.61.6总线总线设备管理设备管理设备管理设备管理1.1I/O的特点的特点计算机系统中有用于实现信息输入、输出和存储的设备，计算机系统中有用于实现信息输入、输出和存储的设备，对其进行控制和管理的程序称设备管理程序。
它是操作系对其进行控制和管理的程序称设备管理程序。
它是操作系统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。
统中最繁杂且与硬件紧密相关的部分。
nI/O性能经常成为系统性能的瓶颈。
性能经常成为系统性能的瓶颈。
n操作系统庞大复杂的原因之一是：
资源多、杂，操作系统庞大复杂的原因之一是：
资源多、杂，并发，均来自并发，均来自I/O。
外设种类繁多，结构各异、输入输出数据信号外设种类繁多，结构各异、输入输出数据信号类型不同、速度差异很大类型不同、速度差异很大。
n理解理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键。
过程与结构的关键。
设备管理设备管理设备管理设备管理1.2I/O系统结构1.2.11.2.1系统组成系统组成1.2.21.2.2微机系统结构微机系统结构1.2.31.2.3主机系统结构主机系统结构设备管理设备管理设备管理设备管理I/O系统系统中中包括：
包括：
I/O设备设备存储设备存储设备设备控制器设备控制器大、中型计算机中还包括大、中型计算机中还包括I/O通道、总线通道、总线。
不同规模的计算机系统，其不同规模的计算机系统，其I/OI/O系统的结构也有差别。
系统的结构也有差别。
通常可将通常可将I/OI/O系统的结构分为两大类：
主机系统的结构分为两大类：
主机I/OI/O系统系统和微机和微机I/OI/O系统。
系统。
1.2.1I/O系统的组成的组成设备管理设备管理设备管理设备管理多采用多采用总线总线I/O系统结构系统结构。
特点：
特点：
n1）CPU和内存直接连接到总线；和内存直接连接到总线；n2）I/O设备通过设备控制器连接到总线；设备通过设备控制器连接到总线；n3）CPU通过设备控制器对通过设备控制器对I/O设备进行控设备进行控制、通信。
因此设备控制器是处理机和设备制、通信。
因此设备控制器是处理机和设备之间的接口。
之间的接口。
n4）不同类型的设备有不同的相对应的设备）不同类型的设备有不同的相对应的设备控制器。
控制器。
缺点：
增加总线和增加总线和CPU的负担的负担。
1.2.2微型机微型机I/O系统系统设备管理设备管理设备管理设备管理总线总线I/OI/O系统结构示意图系统结构示意图1.2.2微型机微型机I/O系统系统在大多数微型机和小型机中，都使用总线在大多数微型机和小型机中，都使用总线I/OI/O系统结构系统结构设备管理设备管理设备管理设备管理主机主机I/O系统系统主机的主机的I/O设备一般较多，且配有较多的高速设备一般较多，且配有较多的高速外设，为此，不采用单总线结构，可增加一级外设，为此，不采用单总线结构，可增加一级I/O通道，以代替通道，以代替CPU与各设备控制器进行通与各设备控制器进行通信，实现对外设的控制。
信，实现对外设的控制。
I/O系统共分为四级：
系统共分为四级：
I/O设备设备设备控制器设备控制器I/O通道通道CPU称之为称之为四级结构四级结构。
1.2.2主主机机I/O系统系统设备管理设备管理设备管理设备管理1.3I/O设备1.3.11.3.1设备类型设备类型1.3.21.3.2设备标识设备标识1.3.31.3.3设备接口设备接口设备管理设备管理设备管理设备管理从从OS看，看，I/O的性能指标有：
数据传输率、数据的传输的性能指标有：
数据传输率、数据的传输单位、设备共享属性、数据传输方式等。
单位、设备共享属性、数据传输方式等。
按传输速率分类按传输速率分类:
低速设备：
传输速率为每秒几个字节低速设备：
传输速率为每秒几个字节几百几百字节；如键盘、鼠标、语音输入输出设备。
字节；如键盘、鼠标、语音输入输出设备。
中速设备：
传输速率为每秒几中速设备：
传输速率为每秒几KB到几十到几十KB；如行式或激光打印机。
如行式或激光打印机。
高速设备：
传输速率为每秒几百高速设备：
传输速率为每秒几百KB到几到几MB；如磁带机、磁盘机、光盘机等如磁带机、磁盘机、光盘机等.1.3.1设备类型设备类型设备管理设备管理设备管理设备管理n按信息交换的单位分类按信息交换的单位分类:
块设备（块设备（BlockDevice）：
常用于存储信息常用于存储信息-存储设备；存储设备；信息的存取是以信息的存取是以数据块数据块为单位；属于为单位；属于有结构设备有结构设备。
典。
典型的块设备是型的块设备是磁盘磁盘。
盘块大小常为。
盘块大小常为512B4KB磁盘设备的基本特征有：
传输速率高（每秒几兆位）；可寻磁盘设备的基本特征有：
传输速率高（每秒几兆位）；可寻址（即可随机读写任一块）址（即可随机读写任一块）。
字符设备（字符设备（CharacterDevice）：
常用于数据的输入、常用于数据的输入、输出输出-输入输入/输出设备；以输出设备；以字符字符为基本单位；属于为基本单位；属于无结构无结构设备设备。
如交互式终端、打印机等。
如交互式终端、打印机等。
字符设备的基本特征有：
传输速率低（每秒几个到几百个字字符设备的基本特征有：
传输速率低（每秒几个到几百个字节）；不可寻址。
节）；不可寻址。
1.3.1设备类型设备类型设备管理设备管理设备管理设备管理n按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类:
独占设备独占设备：
即临界资源：
即临界资源共享设备共享设备：
在一段时间内允许多个进程同时：
在一段时间内允许多个进程同时访问；对某一时刻，仍是只允许一个进程访问。
访问；对某一时刻，仍是只允许一个进程访问。
如磁盘。
常是可寻址的、可随机访问的。
如磁盘。
常是可寻址的、可随机访问的。
虚拟设备虚拟设备：
经虚拟技术将一台独占设备变换：
经虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，共若干个用户（进程）同为若干台逻辑设备，共若干个用户（进程）同时使用，把这种经过虚拟技术处理过的设备称时使用，把这种经过虚拟技术处理过的设备称为虚拟设备。
为虚拟设备。
1.3.1设备类型设备类型设备管理设备管理设备管理设备管理系统按某种原则为每台设备分配惟一的号码，系统按某种原则为每台设备分配惟一的号码，用做硬件（设备控制器）区分和识别设备的用做硬件（设备控制器）区分和识别设备的代号，称做代号，称做设备绝对号设备绝对号（或绝对地址）。
（或绝对地址）。
操作系统为每类设备规定了一个编号，称做操作系统为每类设备规定了一个编号，称做设备类型号设备类型号。
如在。
如在UNIXUNIX系统中，设备类型号系统中，设备类型号称做称做主设备号主设备号。
设备相对号设备相对号，是用户自己规定的所用同类设，是用户自己规定的所用同类设备中的第几台。
备中的第几台。
用户申请设备时，使用系统规定的设备类型用户申请设备时，使用系统规定的设备类型号及用户规定的设备相对号，由操作系统进号及用户规定的设备相对号，由操作系统进行行“地址转换地址转换”，变成系统中的设备绝对号。
，变成系统中的设备绝对号。
1.3.2设备标识设备标识设备管理设备管理设备管理设备管理n按数据传输的单位分类按数据传输的单位分类:
串行设备串行设备：
数据的传输是数据按：
数据的传输是数据按二进制位一位二进制位一位一位的顺序一位的顺序传送；相应的接口叫传送；相应的接口叫串口串口。
典型的块。
典型的块设备是设备是磁键盘、鼠标、磁键盘、鼠标、USB设备等设备等并行设备并行设备：
8位数据同时并行位数据同时并行进行传送的设备；进行传送的设备；相应的接口叫相应的接口叫并口并口；如扫描仪、打印机、磁盘驱；如扫描仪、打印机、磁盘驱动器、光驱等。
动器、光驱等。
n可从其他角度分类可从其他角度分类设备的从属特性分：
系统设备和用户设备设备的从属特性分：
系统设备和用户设备1.3.1设备类型设备类型设备管理设备管理设备管理设备管理该接口中有三类信号：
该接口中有三类信号：
u1）数据信号：
可由设备到控制器，称为输入；由控制）数据信号：
可由设备到控制器，称为输入；由控制器到设备称为输出。
器到设备称为输出。
u2）控制信号：
由设备控制器发送给设备，用于规定设）控制信号：
由设备控制器发送给设备，用于规定设备执行读、写或某种操作的信号。
备执行读、写或某种操作的信号。
u3）状态信号：
由设备到控制器，用于指示设备的当前）状态信号：
由设备到控制器，用于指示设备的当前状态。
状态。
1.3.3设备接口设备接口设备管理设备管理设备管理设备管理1.4设备控制器1.4.11.4.1控制器概述控制器概述1.4.21.4.2控制器功能控制器功能1.4.31.4.3控制器组成控制器组成设备管理设备管理设备管理设备管理1.4.1设备控制器概述设备控制器概述设备控制器是设备控制器是CPUCPU和和I/OI/O设备之间的接口；接收设备之间的接口；接收CPUCPU发来发来的命令，控制的命令，控制I/OI/O设备工作，以实现设备工作，以实现I/OI/O设备和计算机之设备和计算机之间的数据交换。
间的数据交换。
u一个控制器可控制一台或多台设备一个控制器可控制一台或多台设备。
设备控制器是一个设备控制器是一个可编址设备可编址设备。
它所控制的设备都。
它所控制的设备都要有相应的对应地址。
每地址对应一个设备。
要有相应的对应地址。
每地址对应一个设备。
控制控制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。
器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连。
u分为分为字符设备控制器字符设备控制器和和块设备控制器块设备控制器。
设备管理设备管理设备管理设备管理11）接收和识别命令）接收和识别命令：
设备控制器能接收、识别设备控制器能接收、识别CPU发来的各种不同命令。
因此控制器中有相发来的各种不同命令。
因此控制器中有相应的应的控制寄存器控制寄存器，用于存放接收的命令和参数，用于存放接收的命令和参数，并对接收命令译码。
例如：
并对接收命令译码。
例如：
write、read、format等等.22）数据交换：
）数据交换：
实现实现CPU与控制器之间、控制器与设与控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。
在控制器中应有备之间的数据交换。
在控制器中应有数据寄存器数据寄存器。
nCPU与控制器之间：
通过数据总线，并行地把数据与控制器之间：
通过数据总线，并行地把数据写入控制器或从中读出数据。
写入控制器或从中读出数据。
n控制器与设备之间：
设备输入数据到控制器或从控控制器与设备之间：
设备输入数据到控制器或从控制器中接收数据（可能是串行或并行）。
制器中接收数据（可能是串行或并行）。
1.4.2设备控制器功能设备控制器功能设备管理设备管理设备管理设备管理33）设备状态的了解和报告）设备状态的了解和报告：
控制器应记下设备：
控制器应记下设备的状态供的状态供CPU了解。
设了解。
设状态寄存器状态寄存器，其中某，其中某一位反映设备的某一状态。
一位反映设备的某一状态。
44）地址识别）地址识别：
每一设备有一个地址，控制器能：
每一设备有一个地址，控制器能识别它所控制的每个设备的地址。
设备控制识别它所控制的每个设备的地址。
设备控制器中每一寄存器有一个地址，控制器也要能器中每一寄存器有一个地址，控制器也要能识别这些地址。
因此，控制器中要有识别这些地址。
因此，控制器中要有地址译地址译码器码器。
1.4.2设备控制器功能设备控制器功能设备管理设备管理设备管理设备管理5）数据缓冲：
为缓解高速为缓解高速CPU和低速外设和低速外设速度不匹配的矛盾，控制器中设置一速度不匹配的矛盾，控制器中设置一缓冲缓冲器
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