操作系统6-1文库.ppt

1、第十四讲 设备控制原理、设备使用方法目的与要求：掌握掌握I/OI/O控制的原理、设备的控制的原理、设备的使用方法。使用方法。重点与难点：三种不同的三种不同的I/OI/O控制方式；三控制方式；三种不同的设备使用方法。种不同的设备使用方法。1第六章第六章 设备管理设备管理6.16.1输入输出硬件概念输入输出硬件概念1 1.常见常见I/OI/O设备的分类设备的分类 人机交互设备人机交互设备(字符设备字符设备,发送接收以字符方式发送接收以字符方式)存储类型设备存储类型设备(块设备块设备,读写以数据块方式）读写以数据块方式）网络通讯的设备网络通讯的设备I/OI/O设备的特点设备的特点数据传输速率不同数据

2、传输速率不同数据传输单位不同数据传输单位不同控制的复杂性不同控制的复杂性不同设备的使用目的不同设备的使用目的不同2外部设备外部设备在在计计算算机机系系统统中中，除除了了CPU和和内内存存之之外外，其他的大部分硬件设备称为其他的大部分硬件设备称为外部设备外部设备。外外部部设设备备包包括括常常用用的的输输入入输输出出设设备备、外外存设备存设备以及以及终端设备终端设备等。等。外外部部设设备备种种类类繁繁多多，特特性性各各异异，操操作作方方式式的的差差别别也也很很大大，从从而而使使得得操操作作系系统统的的设备管理变得十分复杂。设备管理变得十分复杂。31.设备分类设备分类计计算算机机设设备备种种类类繁繁

3、多多，从从不不同同的的角角度度出出发发，I/O设设备备可可分分成成不不同同的的类类型型。下下面面列列举几种常见的分类方法。举几种常见的分类方法。4按设备从属关系分类按设备从属关系分类系系统统设设备备：指指在在操操作作系系统统生生成成时时已已经经登登记记在在系系统统中中的的标标准准设设备备。如如键键盘盘、显显示示器、打印机等。器、打印机等。用用户户设设备备：指指操操作作系系统统生生成成时时未未登登记记入入系系统统的的非非标标准准设设备备。如如鼠鼠标标、绘绘图图仪仪，扫描仪等。扫描仪等。5按设备的使用特性分类。按设备的使用特性分类。存存储储设设备备：用用来来保保存存各各种种信信息息的的设设备备。如

4、磁盘，磁带等。如磁盘，磁带等。I/O设设备备：向向CPU传传输输信信息息或或输输出出经经过过CPU加加工工处处理理信信息息的的设设备备。如如键键盘盘、显显示器和打印机等示器和打印机等。6按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类独独占占设设备备：在在一一段段时时间间内内只只允允许许一一个个用用户户进程使用的设备。进程使用的设备。共共享享设设备备：在在一一段段时时间间内内允允许许多多个个进进程程使使用的设备。用的设备。虚虚拟拟设设备备：指指通通过过虚虚拟拟技技术术将将一一台台独独占占设设备备改改造造成成若若干干台台逻逻辑辑设设备备，供供若若干干个个用用户户进进程程同同时时使使用用。通通常常把把这这

5、种种经经过过虚虚拟拟技技术术处理后的设备称为虚拟设备。处理后的设备称为虚拟设备。7按信息交换单位分类按信息交换单位分类块块设设备备：处处理理信信息息的的基基本本单单位位是是字字符符块块。一一般般块块的的大大小小为为512B4KB，如如磁磁盘盘、磁带等是块设备。磁带等是块设备。字字符符设设备备：处处理理信信息息的的基基本本单单位位是是字字符符。如键盘、打印机和显示器是字符设备。如键盘、打印机和显示器是字符设备。82.设备管理的任务和功能设备管理的任务和功能设备管理的主要任务是：设备管理的主要任务是：完成用户提出的完成用户提出的I/O请求请求分配分配I/O设备设备提高提高I/O设备的利用率设备的利

6、用率方便用户使用方便用户使用I/O设备设备为为了了完完成成述述任任务务，设设备备管管理理应应具具备备以以下下功能：功能：9设备管理功能设备管理功能设设备备分分配配：根根据据用用户户的的I/O请请求求，为为之之分分配配设设备备。包含控制器和通道包含控制器和通道。设设备备处处理理：负负责责启启动动设设备备及及I/O操操作作完完成成时时的的中中断断处理。处理。缓缓冲冲管管理理：为为缓缓和和CPU与与I/O速速度度不不匹匹配配的的矛矛盾盾常常设设置置缓缓冲冲区区。缓缓冲冲管管理理负负责责缓缓冲冲区区的的分分配配和和释释放放及及有有关关管理工作。管理工作。设设备备独独立立性性：又又称称设设备备无无关关性

7、性，是是指指用用户户编编制制程程序序时时所所使使用用的的设设备备与与物物理理设设备备无无关关。设设备备独独立立性性有有两两种类型：种类型：独立于同类设备的具体设备号独立于同类设备的具体设备号独立于设备类型独立于设备类型10IO设备与设备与CPUCPU信息交换时的问题信息交换时的问题速度不匹配速度不匹配信号电平不匹配信号电平不匹配信号格式不匹配信号格式不匹配时序不匹配时序不匹配11IO设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口CPU控制器设备 设备不能与设备不能与CPUCPU直接相连直接相连,必须经过中间必须经过中间电路再与系统相连，这部分电路被称为电路再与系统相连，这部分电路被称为I/OI/

8、O接口接口123.设备控制器（设备控制器（I/OI/O部件部件）I/OI/O设备通常包含一个机械部件和一个电设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称作子部件。电子部件被称作I/OI/O部件或设备控部件或设备控制器。制器。操作系统一般只与控制器打交道，而非设操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身。备本身。早期早期CPUCPU是直接控制外部设备的，在引入是直接控制外部设备的，在引入I/OI/O部件之后，部件之后，I/OI/O指令功能加强，才将指令功能加强，才将CPUCPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。逐渐从与外设的交互细节中解放出来。13PCIPCI总总线线控控制器制器处理机处

9、理机内存内存显卡显卡外外设设光光盘盘磁磁盘盘IDEIDE总总线线控控制器制器外设控制器外设控制器控控制制器器控控制制器器连接连接CPUCPU、内存、设备控制器和内存、设备控制器和I/OI/O设备模型设备模型 14设备控制器的组成设备控制器的组成设备控制器由三部分组成：设备控制器由三部分组成：设设备备控控制制器器与与处处理理机机的的接接口口：实实现现CPU与与设设备控制器之间的通信。备控制器之间的通信。设设备备控控制制器器与与设设备备的的接接口口：实实现现设设备备与与设设备备控制器之间的通信。控制器之间的通信。I/O逻逻辑辑：实实现现对对设设备备的的控控制制，它它负负责责接接收收命命令令、对对命

10、命令令进进行行译译码码、再再根根据据译译出出的的命命令令控控制设备。制设备。15设备控制器组成图设备控制器组成图CPU与控制器的接口与控制器的接口控制器与设备的接口控制器与设备的接口数据寄存器数据寄存器控控 制制/状状态寄存器态寄存器I/O逻逻辑辑控控制制器器与与设设备备的接口的接口控控制制器器与与设设备备的接口的接口数据数据状态状态控制控制数据数据状态状态控制控制数据线数据线地址线地址线控制线控制线16设备与控制器之间的接口设备与控制器之间的接口在设备与设备控制器在设备与设备控制器在设备与设备控制器在设备与设备控制器之间传送数据信号之间传送数据信号之间传送数据信号之间传送数据信号设备控制器向

11、设备控制器向设备控制器向设备控制器向I/OI/O设备设备设备设备发送控制信号用发送控制信号用发送控制信号用发送控制信号用传送指示设备当前状传送指示设备当前状传送指示设备当前状传送指示设备当前状态的信号态的信号态的信号态的信号17设备控制器的基本功能设备控制器的基本功能接收接收CPUCPU命令，控制命令，控制I/OI/O设备工作，解放设备工作，解放CPUCPU 1.1.1.1.接收和识别命令接收和识别命令接收和识别命令接收和识别命令应有相应的应有相应的应有相应的应有相应的RegisterRegisterRegisterRegister来存放命令（来存放命令（来存放命令（来存放命令（“命令命令命令

12、命令寄存器寄存器寄存器寄存器”）2.2.2.2.数据交换数据交换数据交换数据交换CPUCPUCPUCPU控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器控制器的数据寄存器设备设备设备设备3.3.3.3.设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告设备状态的了解和报告设备控制器中应用设备控制器中应用设备控制器中应用设备控制器中应用“状态寄存器状态寄存器状态寄存器状态寄存器”18设备控制器的基本功能（续）设备控制器的基本功能（续）4.4.地址识别地址识别CPUCPU通过通过“地址地址”与设备通信，设备控与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以制器应能识别它所控制的设

13、备地址以及其各寄存器的地址。及其各寄存器的地址。5.5.数据缓冲数据缓冲适配高速的适配高速的CUPCUP和内存与低速的外设之和内存与低速的外设之间的问题间的问题6.6.差错控制差错控制对由对由IOIO设备传来的数据进行差错检测设备传来的数据进行差错检测19 控制器的任务是在外部设备与控制器的任务是在外部设备与CPUCPU（或内（或内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转换（块）之间的转换。磁盘磁盘 控制器控制器主存主存比特流比特流字节块字节块转换、校验转换、校验字符显示字符显示控制器控制器主存经主存经CPUCPU显示信号显示信号字节流字节流转

14、换转换20接口电路中：多个寄存器接口电路中：多个寄存器一个寄存器有唯一的一个地址，每个地址一个寄存器有唯一的一个地址，每个地址为为I/OI/O端口，该地址称为端口，该地址称为I/OI/O端口地址。端口地址。I/OI/O指令形式与指令形式与I/OI/O地址是相互关联的，主地址是相互关联的，主要有两种形式：要有两种形式：内存映像编址内存映像编址（内存映像（内存映像I/OI/O模式）模式）I/OI/O独立编址独立编址（I/OI/O专用指令）专用指令）端口编址方法端口编址方法21IO独立编址独立编址 分配给系统中所有分配给系统中所有分配给系统中所有分配给系统中所有端口的地址空间是完全独立端口的地址空间

15、是完全独立端口的地址空间是完全独立端口的地址空间是完全独立的，与内存的地址空间没有关系的，与内存的地址空间没有关系的，与内存的地址空间没有关系的，与内存的地址空间没有关系 主机使用主机使用主机使用主机使用专门的专门的专门的专门的I/OI/OI/OI/O指令指令指令指令对端口进行操作对端口进行操作对端口进行操作对端口进行操作 优点优点优点优点外部设备不占用内存的地址空间外部设备不占用内存的地址空间外部设备不占用内存的地址空间外部设备不占用内存的地址空间程序设计时，易于区分是对内存操作还是程序设计时，易于区分是对内存操作还是程序设计时，易于区分是对内存操作还是程序设计时，易于区分是对内存操作还是对

16、对对对I/OI/OI/OI/O端口操作端口操作端口操作端口操作 缺点：对缺点：对缺点：对缺点：对I/OI/OI/OI/O端口操作的指令类型少，操作不端口操作的指令类型少，操作不端口操作的指令类型少，操作不端口操作的指令类型少，操作不灵活灵活灵活灵活 例子：例子：例子：例子：8086/80888086/80888086/80888086/8088，分配给，分配给，分配给，分配给I/OI/OI/OI/O端口的地址空间端口的地址空间端口的地址空间端口的地址空间64K64K64K64K，0000H0FFFFH0000H0FFFFH0000H0FFFFH0000H0FFFFH，只能用只能用只能用只能用ININININ和和和和OUTOUTOUTOUT指令对其指令对其指令对其指令对其进行读写操作进行读写操作进行读写操作进行读写操作2223存储映像编址存储映像编址 分配给系统中分配给系统中分配给系统中分配给系统中所有端口的地址空间与内存的地所有端口的地址空间与内存的地所有端口的地址空间与内存的地所有端口的地址空间与内存的地址空间统一编址址空间统一编址址空间统一编址址空间统一编址 主机把主机把主机把主机