第5章设备管理.ppt

1、2022/10/272022/10/271 1操作系统操作系统2022/10/272022/10/272 2内容概述内容概述5.1 I/O5.1 I/O系统系统 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 缓冲管理缓冲管理 5.4 5.4 设备分配设备分配 5.5 5.5 设备处理设备处理 5.6 5.6 磁盘存储器管理磁盘存储器管理 I/O系统是计算机系统的重要组成部分。系统是计算机系统的重要组成部分。I/O系统包括用系统包括用于实现于实现数据输入、输出、存储数据输入、输出、存储功能的设备和相应的控制器功能的设备和相应的控制器,设设备管理的基本任务是备管理的基本任务是完成用

2、户提出的完成用户提出的I/O请求请求,提高提高I/O速率以速率以及改善及改善I/O的利用率。的利用率。设备管理的主要功能有设备管理的主要功能有缓冲区管理、设缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性。备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性。2022/10/272022/10/273 35.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统2022/10/272022/10/274 45.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设

3、备1.I/O1.I/O设备的类型设备的类型 (1)(1)按按传输速率传输速率分类分类低速设备低速设备 每秒几个字节至数百字节每秒几个字节至数百字节键盘、鼠标、语音输入输出设备等键盘、鼠标、语音输入输出设备等中速设备中速设备每秒数千至数万字节每秒数千至数万字节行式打印机、激光打印机等行式打印机、激光打印机等高速设备高速设备每秒数百每秒数百K K至数十至数十M M字节字节磁盘机、磁带机、光盘机等磁盘机、磁带机、光盘机等2022/10/272022/10/275 5(2)(2)按按信息交换的单位信息交换的单位分类分类块设备块设备(Block Device)(Block Device)信息的存取总是以

4、信息的存取总是以数据块数据块为单位为单位基本特征基本特征是其传输速率较高是其传输速率较高,通常每秒钟为几兆位通常每秒钟为几兆位可寻址可寻址,即对它可随机地读即对它可随机地读/写任一块写任一块属于有结构设备属于有结构设备磁盘磁盘的的I/OI/O常采用常采用DMADMA方式方式,每个盘块的大小为每个盘块的大小为512B4KB512B4KB字符设备字符设备(Character Device)(Character Device)基本单位是基本单位是字符字符基本特征基本特征是其传输速率较低是其传输速率较低,通常每秒钟为几个字通常每秒钟为几个字节到数千字节节到数千字节不可寻址不可寻址属于无结构设备属于无结

5、构设备通常采用通常采用中断驱动方式中断驱动方式例例:交互式终端、打印机交互式终端、打印机2022/10/272022/10/276 6(3)(3)按按设备的共享属性设备的共享属性分类分类独占设备独占设备(临界资源临界资源 )如打印机如打印机共享设备共享设备 可供多个进程同时访问可供多个进程同时访问,如磁盘如磁盘共享设备必须是共享设备必须是可寻址可寻址的和的和可随机访问可随机访问的设备。的设备。虚拟设备虚拟设备通过虚拟技术将一台独占设备变换为若通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备干个逻辑设备,供若干个进程同时使用供若干个进程同时使用2022/10/272022/10/277 7(4)(

6、4)按按操作操作(使用使用)特性特性分类分类存储设备存储设备:用来存放各种信息的设备称为存用来存放各种信息的设备称为存储设备储设备例软盘、例软盘、磁磁盘、光盘和磁带等盘、光盘和磁带等I/OI/O设备设备:用来向计算机输入和输出信息的设用来向计算机输入和输出信息的设备备如如键盘、鼠标、显示器、打印机键盘、鼠标、显示器、打印机在现代计算机系统中有些设备既可以做存储在现代计算机系统中有些设备既可以做存储设备设备,也可以做也可以做I/OI/O设备设备,例如例如,软盘、硬盘等。软盘、硬盘等。2022/10/272022/10/278 8图图5-1 5-1 设备与控制器间的接口设备与控制器间的接口 2.2

7、.设备与设备控制器之间的接口设备与设备控制器之间的接口数据信号线数据信号线用于在设备和设备控制器之间传送数据信号用于在设备和设备控制器之间传送数据信号控制信号线控制信号线作为由设备控制器向作为由设备控制器向I/OI/O设备发送控制信号时的通路设备发送控制信号时的通路状态信号线状态信号线用于传送指示设备当前状态的信号用于传送指示设备当前状态的信号2022/10/272022/10/279 95.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统

8、2022/10/272022/10/2710105.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器设备控制器设备控制器是是CPUCPU与与I/OI/O设备之间的接口设备之间的接口,常做成印刷电常做成印刷电路卡形式路卡形式,也称接口卡。也称接口卡。接收接收CPUCPU发来的命令发来的命令,控制一个或多个控制一个或多个I/OI/O设备设备,以实现以实现I/OI/O设备和计算机之间的数据交换设备和计算机之间的数据交换,减轻减轻CPUCPU的负担的负担1.1.设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能(1)接收和识别命令接收和识别命令(2)数据交换数据交换(3)标识和报告设备的状态标识和报告设备的状态(4)地

9、址识别地址识别(5)数据缓冲数据缓冲(6)差错控制差错控制 2022/10/272022/10/2711112.2.设备控制器的组成设备控制器的组成设备控制器与处理机的接口设备控制器与处理机的接口 该接口用于实现设备控制器与该接口用于实现设备控制器与CPUCPU之间的通信。在之间的通信。在该接口中有三类信号线该接口中有三类信号线:数据线数据线、地址线地址线、控制线控制线。设备控制器与设备的接口设备控制器与设备的接口 在一个设备控制器上在一个设备控制器上,可以连接一台或多台设备。可以连接一台或多台设备。相应地相应地,在控制器中就有一个或多个设备接口在控制器中就有一个或多个设备接口,一个接一个接口

10、连接一台设备口连接一台设备,在每个接口中都有数据、控制和状态在每个接口中都有数据、控制和状态三种类型的信号。三种类型的信号。I/OI/O逻辑逻辑 控制器对设备的控制通过控制器对设备的控制通过I/OI/O逻辑实现的。包括对逻辑实现的。包括对收到收到命令命令和和地址地址进行进行译码译码。2022/10/272022/10/271212图图5-2 5-2 设备控制器的组成设备控制器的组成 2022/10/272022/10/2713135.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通

11、道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统2022/10/272022/10/2714145.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道 1.1.I/OI/O通道通道(I/O Channel)(I/O Channel)设备的引入设备的引入是一种是一种特殊处理机特殊处理机,专门负责输入专门负责输入/输出工作输出工作有自己简单的指令系统有自己简单的指令系统,只有数据传送指令和设备控制只有数据传送指令和设备控制指令指令主要主要目的目的是为了建立独立的是为了建立独立的I/OI/O操作操作,使有关对使有关对I/OI/O操作操作的组织、管理及其结束处理也独立于的组织、管理及其结束处理也独立于CPUCPUCP

12、UCPU向向I/OI/O通道发送通道发送I/OI/O命令命令,由通道执行程序由通道执行程序通道与一般处理机的通道与一般处理机的区别区别指令类型单一指令类型单一,局限于与局限于与I/OI/O操作有关命令。操作有关命令。没有独立的内存没有独立的内存,通道与通道与CPUCPU共享内存。共享内存。2022/10/272022/10/271515图图5-3 5-3 字节多路通道的工作原理字节多路通道的工作原理 2.2.通道类型通道类型(1)(1)字节多路通道字节多路通道(Byte Multiplexor Channel)(Byte Multiplexor Channel)一个主通道连接多个子通道一个主通

13、道连接多个子通道,以以时间片轮转时间片轮转方式共方式共享主通道享主通道每个子通道每次只传送每个子通道每次只传送一个字节一个字节,连接连接中低速中低速设备设备2022/10/272022/10/271616(2)(2)数组选择通道数组选择通道(Block Selector Channel)(Block Selector Channel)由于由于(1)不适合高速设备不适合高速设备以以数组方式数组方式工作工作,高速传输数据高速传输数据可以连接多台高速设备可以连接多台高速设备每次只有一台设备进行数据传送每次只有一台设备进行数据传送,形成形成独占独占,如果它不传数据如果它不传数据,别的设备也传不了。通道

14、利别的设备也传不了。通道利用率较低。用率较低。2022/10/272022/10/271717(3)(3)数组多路通道数组多路通道(Block Multiplexor Channel)(Block Multiplexor Channel)由于由于(2)有独占性有独占性将将数组选择通道数组选择通道传输速率高和传输速率高和字节多路通道字节多路通道分时并行操作的优点相分时并行操作的优点相结合结合而形成的一种新而形成的一种新通道通道其数据传送是按其数据传送是按数组方式数组方式。采用采用分时分时传送多个非分配型子通道传送多个非分配型子通道,因而这因而这种通道既具有很高的种通道既具有很高的数据传输速率数据

15、传输速率,又能获得又能获得令人满意的令人满意的通道利用率通道利用率2022/10/272022/10/2718183.3.“瓶颈瓶颈”问题问题 图图5-4 5-4 单通路单通路I/OI/O系统系统 2022/10/272022/10/271919图图5-5 5-5 多通路多通路I/OI/O系统系统 2022/10/272022/10/2720205.1 I/O5.1 I/O系统系统5.1.1 I/O5.1.1 I/O设备设备5.1.2 5.1.2 设备控制器设备控制器5.1.3 I/O5.1.3 I/O通道通道5.1.4 5.1.4 总线系统总线系统2022/10/272022/10/2721

16、215.1.4 5.1.4 总线系统总线系统 图图5-6 5-6 总线型总线型I/OI/O系统结构系统结构 在计算机系统中的各部件在计算机系统中的各部件,如如CPUCPU、存储器以及各种、存储器以及各种I/OI/O设备之间都是通过总线来联系设备之间都是通过总线来联系2022/10/272022/10/2722221.ISA1.ISA和和EISAEISA总线总线 1)ISA(Industry Standard Architecture)1)ISA(Industry Standard Architecture)总线总线 这这是是为为了了19841984年年推推出出的的8028680286型型微微机机而而设设计计的的总总线线结结构构。其其总总线线的的带带宽宽为为8 8位位,最最高高传传输输速速率率为为2Mb/s2Mb/s。之之后后不不久久又又推推出出了了1616位位的的(EISA)(EISA)总总线线,其其最最高高传传输输速速率率为为8Mb/s,8Mb/s,后后又又升升至至16 16 Mb/s,Mb/s,能连接能连接1212台设备。台设备。2)EISA(Extended ISA)2)EISA