操作系统原理-第四章-设备管理.ppt

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第第4章章设备管理设备管理设备管理设备管理是指计算机系统对除是指计算机系统对除CPU和内存和内存以外的所有以外的所有输入、输出设备输入、输出设备的管理。

的管理。

重点介绍：

重点介绍：

设备驱动处理过程与技术设备驱动处理过程与技术磁盘驱动调度磁盘驱动调度设备独立性设备独立性虚拟设备的实现（虚拟设备的实现（SPOOLing系统）系统）4.1设备管理概述设备管理概述I/O设备设备是计算机系统的重要资源，用户无权直是计算机系统的重要资源，用户无权直接使用。

接使用。

设备管理的一个重要任务设备管理的一个重要任务：

便是按照一定的算法：

便是按照一定的算法在各进程间调度和分配设备。

在各进程间调度和分配设备。

另外，设备管理还要按照用户要求另外，设备管理还要按照用户要求启动启动具体设备，完成数具体设备，完成数据传输操作，并且处理设备的中断。

据传输操作，并且处理设备的中断。

还有如何利用虚拟技术使还有如何利用虚拟技术使独享设备独享设备“变为变为”共享设备共享设备，使，使一台物理设备一台物理设备“变为变为”多台逻辑设备。

多台逻辑设备。

一、一、设备管理的分类设备管理的分类u按按从属关系分类从属关系分类

（1）系系统统设设备备：

指在操操作作系系统统生生成成时时已已经经登登记记在系统中的标准设备标准设备。

如键盘、显示器、打印机等。

（2）用用户户设设备备：

指操操作作系系统统生生成成时时未未登登记记入系统的非非标标准设备准设备。

如鼠标、绘图仪、扫描仪等。

4.1.1设备的分类设备的分类u按传输速率分类按传输速率分类

（1）低低速速设设备备：

指传输速率为每每秒秒钟钟几几个个字字符符至至数数百百个个字字节节的设备，如键盘、鼠标、语音输入等。

（2）中中速速设设备备：

指传输速率为每每秒秒钟钟数数千千个个字字节节至至数数万万个个字字节节的设备，如针式打印机、激光打印机等。

（3）高高速速设设备备：

指传输速率为数数兆兆字字节节的设备，如磁带机、磁盘机、光盘机等。

设备的分类（续设备的分类（续1）u按使用特性分类按使用特性分类

（1）存存储储设设备备：

计算机用来保存各种信息的非非易易失失性性设设备备，如磁盘、磁带等；

（2）I/O设备设备：

向CPU传输信息或输出CPU加工处理信息的设备，如键盘，CRT等。

设备的分类（续设备的分类（续2）u按信息交换单位分类按信息交换单位分类

（1）字字符符设设备备：

处理信息的基基本本单单位位是是字字符符的设备，如键盘、打印机、显示器等；

（2）块块设设备备：

处理信息的基基本本单单位位是是字字符符块块的设备，一般块的大小为512B4KB，如磁盘、磁带等。

u按设备共享属性分类按设备共享属性分类

（1）独独占占设设备备：

指在一段时间内只只允允许许一一个个用用户户（进进程程）访访问问的设备，大多数低速的I/O设备，如打印机、显示器等。

独占设备属于临界资源临界资源，多个并发进程必须互斥地访问互斥地访问独占设备。

（2）共共享享设设备备：

指在一段时间内允允许许多多个个进进程程同同时时访访问问的设备。

共享设备必须是可可寻寻址址的的和和可可随随机机访访问问的设备，典型的共享设备是磁盘。

（3）虚虚拟拟设设备备：

指通过虚拟技术将一台独独占占设设备备变换为若干台供供多多个个用用户户（进进程程）共共享享的的逻逻辑辑设设备备。

一般可以利用假假脱脱机机（SPOOLing）技术）技术实现虚拟设备。

设备的分类（续设备的分类（续3）

（1）提高）提高I/O设备和设备和CPU的利用率：

的利用率：

应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，主要利用的技术有：

中断技术、DMA技术、通道技术和缓冲技术。

（2）提高提高I/O速度：

速度：

除上述技术外，还常用虚拟设备技术（3）为用户提供方便、统一的界面：

）为用户提供方便、统一的界面：

方便方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便使用设备。

统一统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式。

这要求用户操作的是简便的逻辑设备简便的逻辑设备，而具体的具体的I/O物理设备物理设备由操作系统去实现，这种性能常常被称为设备的独立性设备的独立性。

Linux中，用户通过访问设备文件（如设备文件（如/dev/sdc）来访问各种设备；而内核中，对字符设备字符设备定义了统一驱动接口统一驱动接口，对块设备块设备定义了统一驱动接口。

4.1.2设备管理的目标设备管理的目标4.1.3设备管理的功能设备管理的功能（11）设备分配：

）设备分配：

按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O设设备分配给备分配给哪一要求使用该设备的进程进程。

凡未分配到所需设备的进程被放入一个等待队列。

（22）设设备备处处理理：

设备处理程序实实现现CPU和和设设备备控控制制器器之之间间的的通通信信。

即当CPU向设备控制器发出I/O指令时，设备处理程序应启动设备进行I/O操作，并能对设备发来的中断请求作出及时的响应和处理。

（33）实现其他功能：

）实现其他功能：

包括对缓冲区的管理功能缓冲区的管理功能及实现实现设设备备独立性独立性（又称设备的无关性又称设备的无关性）。

1.逻辑逻辑I/O：

抽象命令、网络协议栈、文件逻辑结构控制抽象命令、网络协议栈、文件逻辑结构控制2.设备设备I/O：

用户命令到设备操作序列转换，用户命令到设备操作序列转换，I/O缓冲缓冲3.调度和控制：

调度和控制：

设备驱动程序设备驱动程序并发并发I/O访问调度访问调度设备控制与状态维护设备控制与状态维护设备中断处理设备中断处理用户进程用户进程硬硬件件4.1.4设备管理结构设备管理结构设备设备无关无关层层设备设备有关有关层层使用使用C库函数库函数fread系统调用系统调用read如缓存中有：

则直接返回，否则，如缓存中有：

则直接返回，否则，转化为对转化为对硬盘某些块的硬盘某些块的I/O请求请求调用块设备驱动程序接口调用块设备驱动程序接口make_request处理、调度处理、调度I/O请求请求，并将，并将I/O请请求转换为对求转换为对硬盘地址的访问命令硬盘地址的访问命令，并并响应中断请求响应中断请求，处理，处理返回数据返回数据硬盘访问硬盘访问命令命令4.1.5设备控制器和设备控制器和I/O通道通道CPU通过设通过设备控制器与备控制器与I/O设备通信设备通信通道通道：

专门：

专门负责负责I/O工作工作的处理机；的处理机；一般在大中一般在大中型计算机中设型计算机中设置有通道置有通道4.2I/OI/O控制方式控制方式计算机外设与内存之间的信息传送称为输入输入/输输出操作出操作。

其控制控制方式方式主要有4个发展阶段：

程序轮询程序轮询I/OI/O控制方式控制方式中断中断I/OI/O控制方式控制方式DMADMAI/OI/O控制方式控制方式通道通道I/OI/O控制方式控制方式减少减少CPU的的I/O控制事务；控制事务；提高提高CPU与与I/O设备的并行程度设备的并行程度1、程序直接控制方式、程序直接控制方式优点：

简单。

优点：

简单。

缺点：

浪费缺点：

浪费CPU资源，效率低下。

资源，效率低下。

2、中断控制方式、中断控制方式3、DMA控制方式控制方式4、通道控制方式（、通道控制方式（I/O处理机）处理机）（11）CPUCPU启启动动通通道道，告告知知“通通道道程程序序”的首地址；的首地址；（22）（33）：

通通道道根根据据“通通道道程程序序”中的指令，执行中的指令，执行I/OI/O，交换数据，交换数据（44）通通道道执执行行完完“通通道道程程序序”的的指指令后，发出中断；令后，发出中断；操作操作PR计数计数内存地址内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720三种通道类型三种通道类型l字节多路通道字节多路通道以字节字节为单位传送信息；分时轮流执行多个通道程序，当一个设备传输一个字节后，转去执行另一个通道程序；适于连接像打印机、终端那样的字符类低速设备；l选择通道选择通道以块块为单位传送信息；每次执行一个通道程序，当该通道程序执行完毕后，才选择另一台设备，为其服务；适合于连接优先级高的磁盘等高速设备；l数组多路通道数组多路通道以块块为单位传送信息，分时轮流执行多个通道程序；当一个设备传输一块数据后，转去执行另一个通道程序；适用于连接多台像磁带机那样的高速设备。

4.3中断技术中断技术4.3.1中断中断的基本概念的基本概念中断是指计算机在执行期间，系统内发生了中断是指计算机在执行期间，系统内发生了某一急需处理某一急需处理的事件的事件，暂时中止，暂时中止CPU上现行程序的运行，转去执行相应的事上现行程序的运行，转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又件处理程序，待处理完毕后又返回返回到刚才暂停程序的被中断处到刚才暂停程序的被中断处继续执行继续执行的过程。

的过程。

中断是操作系统实现并发性的基础之一中断是操作系统实现并发性的基础之一。

以下是需要打断处理器正常工作的以下是需要打断处理器正常工作的典型事件典型事件：

请求系统服务请求系统服务实现并行工作实现并行工作处理突发事件处理突发事件满足实时要求满足实时要求11、中断分类、中断分类中断中断的分类角度很多，比如，的分类角度很多，比如，IBMIBM中大型机操作系统，便按照中中大型机操作系统，便按照中断事件的断事件的性质和激活性质和激活的手段，将的手段，将中断中断分成以下两类：

分成以下两类：

强迫性中断事件强迫性中断事件这这不是正在运行的程序所期待的不是正在运行的程序所期待的，而是由于某种事故或外部请求信息所引起的，具体分为：

机器故障中断事件机器故障中断事件，程序性中断事件程序性中断事件，外部中断事外部中断事件件，输入输出中断事件输入输出中断事件。

自愿性中断事件自愿性中断事件这这是正在运行的程序所期待的事件是正在运行的程序所期待的事件。

比如，其对操作系统有某种需求，一旦机器执行到一条访管指令访管指令时，便自愿停止现行程序的执行而转入访管中断处理程序处理。

4.3.2中断分类与优先级中断分类与优先级而而Windows2000/XPWindows2000/XP则按照中断信号的则按照中断信号的来源来源，把中断，把中断分为分为外中断外中断和和内中断内中断两类：

两类：

外中断外中断（又称中断又称中断）：

指来自处理器和主存之外的中断。

指来自处理器和主存之外的中断。

包括：

电源故障中断、时钟中断、控制台中断、它机中断和I/O中断等。

内中断内中断（又称异常或陷入又称异常或陷入）：

指来自处理器和主存内部的中指来自处理器和主存内部的中断断。

包括：

通路校验错错、主存奇偶错、非法操作码、地址越界、页面失效、调试指令、访管中断访管中断、算术操作溢出等各种程序性中断。

内中断不能被屏蔽。

内中断不能被屏蔽。

中断分类（续）中断分类（续）22、中断优先级、中断优先级n是指中断装置响应中断的次序中断装置响应中断的次序。

当系统中同时发生多个中断时，先处理优先级高的中断先处理优先级高的中断。

n一般情况下，中断优先级的顺序从高到低为中断优先级的顺序从高到低为：

机器故障中断、访管中断、程序性中断、外部中断和I/O中断4.3.3中断处理过程中断处理过程设备控制器/系统硬件发出中断请求处理器结束当前指令的执行处理器发出中断认可（响应）信号处理器将PSW和PC压入系统堆栈处理器装入中断程序入口地址到PC执行中断程序取回处理器状态信息（恢复现场）恢复中断前的PSW和PC处理程序相关的状态信息硬件硬件软件软件4.4缓冲技术缓冲技术1、缓冲技术的基本思想缓冲技术的基本思想在在CPU和外设之间设立和外设之间设立缓冲区缓冲区，用以，用以暂存暂存CPU与外设之间交与外设之间交换的数据，从而换的数据，从而缓和缓和CPU与外设速度不匹配所产生的与外设速度不匹配所产生的矛盾矛盾。

凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。

CPU与内存之间也需要设置缓冲，只不过设在与内存之间也需要设置缓冲，只不过设在cache里。

里。

在在CPU和外设交换数据时，经常会出现数据写入和读取速和外设交换数据时，经