1、第六章设备管理 v1.掌握设备管理的功能和任务；掌握设备管理的功能和任务；v2.掌握设备的分类方法；掌握设备的分类方法；v3.掌握掌握I/O控制的实现；控制的实现；v4.掌握通道的功能、特点、类型及工作方式。掌握通道的功能、特点、类型及工作方式。本章重点：1.通道的工作方式；2.I/O控制系统的实现；3.虚拟设备技术。本章难点：v概述 v设备管理的任务和功能 v设备工作的I/O控制方式 v处理输入输出请求的步骤 v中断系统v缓冲技术 v设备分配 v虚拟设备 v小结 6.1概述设备的技术特点：杂，五花八门，种类多，物理特性不同 一、设备分类系统设备：用户设备：OS生成时已在系统中登记的标准设备
2、OS生成后由用户定义的非标准设备 1.按所属关系分 如：keyboard,CRT 如：实时系统中的A/D、D/A转换器等 块设备：字符设备：磁盘、磁带、光盘 CRT、Printer、Keyboard 2.按信息传输的基本单位分 输入设备：输出设备：KeyboardPrinter3.按操作方式按操作方式 输入输入/输出设备输出设备：磁盘 共享设备共享设备：独占设备独占设备：磁盘（多道作业可以同时从该设备上磁盘（多道作业可以同时从该设备上存取信息）存取信息）打印机打印机 4.按设备的分配特性按设备的分配特性 存储设备 ：输入输出设备 ：磁带、磁盘、光盘等 键盘、打印机、CRT、绘图仪等 5.设备的
3、使用特性设备的使用特性 终端设备终端设备：通用终端、专用终端、虚拟终端等通用终端、专用终端、虚拟终端等 脱机设备脱机设备 ：6.2设备管理的任务和功能 一、基本任务 选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作选择和分配输入输出设备以便进行数据传输操作 控制输入输出设备和控制输入输出设备和CPU(或内存或内存)之间交换数据之间交换数据 为用户提供一个透明的接口，把用户和设备硬件特性为用户提供一个透明的接口，把用户和设备硬件特性 分开，使得用户在编程时不必涉及具体硬件设备，系分开，使得用户在编程时不必涉及具体硬件设备，系 统按用户的要求控制设备工作。统按用户的要求控制设备工作。提高设备与设备之间、
4、提高设备与设备之间、CPU与设备之间，以及进程与与设备之间，以及进程与 进程之间的并行操作程度，使操作系统获得最佳效率进程之间的并行操作程度，使操作系统获得最佳效率 二、功能二、功能 提供和进程管理系统之间的接口提供和进程管理系统之间的接口 设备的分配与回收设备的分配与回收：设备的启动与中断处理设备的启动与中断处理：缓冲区的管理缓冲区的管理 实现虚拟设备实现虚拟设备 设备与设备、设备和设备与设备、设备和CPU之间的并行操作之间的并行操作：6.3设备工作的I/O控制方式 循环测试方式循环测试方式（程序直接控制方式）（程序直接控制方式）CPU与设备只能串行工作：与设备只能串行工作：由用户程序来直接
5、控制内存或由用户程序来直接控制内存或CPU和外设之间的信息和外设之间的信息传送。外设工作时，处理机不断通过一条测试指令测传送。外设工作时，处理机不断通过一条测试指令测试外设工作是否完成。试外设工作是否完成。100占占CPU，CPU利用率低，。利用率低，。设备不能并行工作：设备不能并行工作：不能发现和处理设备和其他硬件产生的错误：不能发现和处理设备和其他硬件产生的错误：GO外围设备外围设备接收到接收到start命令命令做接收或发送数据准备做接收或发送数据准备准备完毕？准备完毕？否否是是标志触发器置标志触发器置“Done”等待等待CPU的下调指令的下调指令CPU发送发送start命令命令设备标志设
6、备标志触发器为触发器为“Done”？否否等待等待是是执行下条指令，执行下条指令，开始数据传输开始数据传输R中断方式中断方式：处理机与外围设备之间有中断请求线，设备处理机与外围设备之间有中断请求线，设备控制器的控制状态寄存器设置中断允许位控制器的控制状态寄存器设置中断允许位 I/O设备设备1I/O控制器控制器1数据线数据线CPU地址线地址线控制线控制线I/O设备设备nI/O控制器控制器n内存内存start控制状态寄存器控制状态寄存器启动位启动位 中断位中断位 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器外围设备外围设备接收到接收到start命令命令准备数据并将其准备数据并将其置入缓冲寄存器置入缓冲寄存器缓冲寄存
7、缓冲寄存器满吗？器满吗？否否是是控制器发中断信号控制器发中断信号CPU向设备发送向设备发送start命令，命令，将中断允许位置将中断允许位置“1”收到中断信号了吗？收到中断信号了吗？否否中断处理中断处理是是被中断的程序执行被中断的程序执行调度程序调度其他进程调度程序调度其他进程其他进程执行其他进程执行设备与设备可以并行，设备与设备与设备可以并行，设备与CPU可以并行可以并行 数据缓冲寄存器较小，一次数据传送过程中发生中数据缓冲寄存器较小，一次数据传送过程中发生中 断次数较多，断次数较多，CPU可能可能“陷入陷入”中断。中断。中断方式特点：中断方式特点：DMA控制方式控制方式：基本思想：在外设和
8、内存之间开辟直接的数据交换通道基本思想：在外设和内存之间开辟直接的数据交换通道DMA方式中，方式中，I/O控制器具有比中断方式和程序直接控控制器具有比中断方式和程序直接控制方式更强的功能。制方式更强的功能。DMA方式除了控制状态寄存器和数据缓冲寄存器之外，方式除了控制状态寄存器和数据缓冲寄存器之外，还包括传送字节计数器、内存地址寄存器等。还包括传送字节计数器、内存地址寄存器等。DMA方式通过窃取或挪用方式通过窃取或挪用CPU指令周期的方式把数据缓指令周期的方式把数据缓冲寄存器中的数据直接送到内存地址寄存器所指向的内冲寄存器中的数据直接送到内存地址寄存器所指向的内存区存区在数据块传送开始时需要在
9、数据块传送开始时需要CPU的启动指令，结束时发中断的启动指令，结束时发中断通知通知CPU，中间不需要，中间不需要CPU干预。干预。I/O设备设备DMA控制器控制器CPU内存内存start控制状态寄存器控制状态寄存器启动位启动位 中断位中断位 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器Int数据数据传送字节计数器传送字节计数器内存地址寄存器内存地址寄存器外围设备外围设备DMA控制器控制器接收到接收到start命令命令启动设备准备数据启动设备准备数据传送字节数传送字节数=0？否否是是发中断信号，停止发中断信号，停止I/OCPU发送发送start命令，内存地命令，内存地址送入内存始址寄存器址送入内存始址寄存器传送
10、字节数送入字节寄存器传送字节数送入字节寄存器将中断允许位置将中断允许位置“1”收到中断信号了吗？收到中断信号了吗？否否中断处理中断处理是是调度程序调度其他进程调度程序调度其他进程被调度进程执行被调度进程执行数据入数据缓冲寄存器数据入数据缓冲寄存器缓冲寄存器内容入内存缓冲寄存器内容入内存修改传送字节数、修改传送字节数、计数器、内存地址计数器、内存地址大大减少大大减少CPU处理次数处理次数 数据传送是在数据传送是在DMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPU控制控制 完成。完成。DMA方式特点：方式特点：对外围设备的管理和某些操作仍然由对外围设备的管理和某些操作仍然由CPU管，大中型管，大
11、中型 机器中设备种类繁多，数量大，增加了机器中设备种类繁多，数量大，增加了CPU的负担。的负担。通道方式：通道方式：以内存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制方以内存为中心，实现设备和内存直接交换数据的控制方式。数据传送方向、内存始址、传送长度等由通道控制，式。数据传送方向、内存始址、传送长度等由通道控制，一个通道可以控制多台设备工作一个通道可以控制多台设备工作基本思想：通道是专管基本思想：通道是专管I/O操作的部件，控制设备与内操作的部件，控制设备与内存的数据交换，有自己的通道指令，这些通道指令受存的数据交换，有自己的通道指令，这些通道指令受CPU启动，结束时向启动，结束时向CPU发中断
12、信号。发中断信号。内内存存通道通道1通道通道2控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器3设备设备1设备设备2 设备设备3通道连接方式：四级三连接通道连接方式：四级三连接通道类型：通道类型：适用于低速设备，如终端、打印机等适用于低速设备，如终端、打印机等 字节多路通道：以字节为单位传输数据，可以同时字节多路通道：以字节为单位传输数据，可以同时控制多台外设工作。控制多台外设工作。数组多路通道数组多路通道：以块为单位传输数据，可以同时控：以块为单位传输数据，可以同时控制多台外设工作。制多台外设工作。适用于中速块设备，如磁带机等适用于中速块设备，如磁带机等 数组选择通道数组选择通道：以块为单位传输数据
13、，每次只能控：以块为单位传输数据，每次只能控制一台外设工作。制一台外设工作。适用于高速块设备，如磁盘机等适用于高速块设备，如磁盘机等 通道方式的数据输入处理过程：通道方式的数据输入处理过程：当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPU发出发出Start指令指指令指明明I/O操作、设备号和对应通道。操作、设备号和对应通道。对应通道接收到对应通道接收到CPU发来的启动指令发来的启动指令Start之后，把之后，把存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备的存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备的I/O控制器中的控制状态寄存器。控制器中的控制状态寄存器。设备根据通道指令的要求，把
14、数据送往内存中的指设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中的指定区域。定区域。若数据传送结束，若数据传送结束，I/O控制器通过中断请求线发中断控制器通过中断请求线发中断信号请求信号请求CPU做中断处理。做中断处理。中断处理结束后中断处理结束后CPU返回被中断的程序继续执行。返回被中断的程序继续执行。6.4处理输入输出请求的步骤(5)(4)(3)用户进程PUSH CTRLPTRPUSH BUFFPTRCall IOCSBUFFERIOCS阻塞调用者验证I/O请求调用驱动程序校验状态激活调用者返回到调用者设备驱动程序初始化I/O传送数据返回IOCS（1）（2）6.5中断系统 一、定义：在系统发生了
15、非寻常或非预期的急需处理事件一、定义：在系统发生了非寻常或非预期的急需处理事件时，时，CPU中断当前程序，转去执行相应的事件处理程序。中断当前程序，转去执行相应的事件处理程序。二、中断源：二、中断源：引起中断的事件。引起中断的事件。时钟、时钟、I/O，、违例、外部、故障、系统调用，、违例、外部、故障、系统调用 分类分类 内内 外外 分类分类 硬硬 软软 分类分类 自愿自愿 随机随机 三、中断请求：中断源向三、中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号发出的请求中断处理信号 四、中断相应：四、中断相应：CPU收到中断请求后转相应的事件处理收到中断请求后转相应的事件处理程序。程序。中断相应关键
16、是现场切换，由硬件完成中断相应关键是现场切换，由硬件完成。（1）将）将PSW等重要请求者的值送入内存。等重要请求者的值送入内存。（2）把中断处理程序的）把中断处理程序的PSW放入放入PSW。五、中断优先级：决定对中断源的响应次序。五、中断优先级：决定对中断源的响应次序。六、关中断：六、关中断：CPU内部的处理机状态字内部的处理机状态字PSW的中断允许的中断允许位被清除，从而不允许位被清除，从而不允许CPU相应中断。相应中断。七、中断屏蔽：系统用软件方式有选择的封锁部分中断七、中断屏蔽：系统用软件方式有选择的封锁部分中断而允许其他中断得到响应。而允许其他中断得到响应。八、中断的意义：八、中断的意
17、义：（1）无中断，不能实现多道）无中断，不能实现多道。（2）无中断，用户程序无法与）无中断，用户程序无法与OS程序联系程序联系。九、九、中断处理程序中断处理程序 关中断关中断保护现场保护现场分析中断原因，转中断处理程序分析中断原因，转中断处理程序执行中断处理程序执行中断处理程序恢复现场恢复现场开中断开中断返回中断点返回中断点6.6缓冲技术 一、引入：提高一、引入：提高CPU与外设的并行工作程度，解决与外设的并行工作程度，解决CPU与外设速度严重不匹配的问题。与外设速度严重不匹配的问题。二、缓冲实现二、缓冲实现 硬：缓存硬：缓存 软：缓冲区软：缓冲区 三、缓冲类型：三、缓冲类型：1.单缓冲单缓冲
18、:CPU与外设之间设置一个与外设之间设置一个BUFFER缓冲二者缓冲二者之间的速度差异。之间的速度差异。由于需要对缓冲区互斥使用，因此设备之间不能通过单由于需要对缓冲区互斥使用，因此设备之间不能通过单缓冲实现并行缓冲实现并行2.双缓冲双缓冲:CPU与外设之间设置两个与外设之间设置两个BUFFER缓冲二者之缓冲二者之间的速度差异间的速度差异 可以实现两台外设、打印机和终端之间的并行；例如：可以实现两台外设、打印机和终端之间的并行；例如：其中一个缓冲区用于打印、另一个用于读入数据其中一个缓冲区用于打印、另一个用于读入数据3.多缓冲多缓冲:把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专把多个缓冲区连接起来
19、组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门由于输出门用于输入，另一部分专门由于输出4.缓冲池缓冲池:把多个缓冲区连接起来统一管理，即可用于输把多个缓冲区连接起来统一管理，即可用于输入，又可用于输出。（谁用谁申请）入，又可用于输出。（谁用谁申请）6.7设备分配 一、设备分配用的数据结构一、设备分配用的数据结构1、设备控制表、设备控制表DCT（Device Control Table）反映设备的特性、设备和反映设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况控制器的连接情况(每个每个设备一张设备一张)DCT在系统生成时或该设备与系统连接时创在系统生成时或该设备与系统连接时创建建，一般包括：，一般包括：设
20、备标识符：用来区别设备设备标识符：用来区别设备设备类型：反映设备特性，例如：终端、字符、块设备类型：反映设备特性，例如：终端、字符、块设备地址或设备号：设备地址或设备号：设备状态：工作还是空闲设备状态：工作还是空闲等待队列指针：等待使用该设备的进程等待队列的等待队列指针：等待使用该设备的进程等待队列的队首和队尾指针。队首和队尾指针。I/O控制器指针：指向与该设备相连的控制器指针：指向与该设备相连的I/O控制器控制器 2、系统设备表、系统设备表SDT（System Device Table）记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，为每记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况，为每个物理设备设置
21、一个表项个物理设备设置一个表项，(整个系统一张整个系统一张)，一般包，一般包括：括：DCT指针指针：指向设备的：指向设备的DCT正在使用设备的进程标识正在使用设备的进程标识：设备类型和设备标识符设备类型和设备标识符：SDT的意义是反映系统中设备资源的状态，即：系统的意义是反映系统中设备资源的状态，即：系统中有多少设备，多少空闲，非空闲设备分别分给了哪中有多少设备，多少空闲，非空闲设备分别分给了哪些进程？些进程？3、控制器表、控制器表COCT（Controller Control Table）反映了反映了I/O控制器的使用状况以及和通道的连接情况等，控制器的使用状况以及和通道的连接情况等，DMA
22、方式无。每个控制器一张，一般包括：方式无。每个控制器一张，一般包括：控制器标识符控制器标识符控制器状态控制器状态 指向相应通道表的指针指向相应通道表的指针：4、通道表通道表CHCT（Chanal Control Table）每个通道一张，一般包括：每个通道一张，一般包括：通道标识符通道标识符 通道状态通道状态 等待该通道的队列指针等待该通道的队列指针：一个进程只有获得了通道，控制器和所需设备之后，一个进程只有获得了通道，控制器和所需设备之后，才具有才具有I/O操作的条件操作的条件 二、设备分配二、设备分配1、分配原则：、分配原则：充分发挥设备的使用效率充分发挥设备的使用效率 避免由于不合理的分
23、配方法造成的死锁避免由于不合理的分配方法造成的死锁 要用户程序和具体物理设备隔离开要用户程序和具体物理设备隔离开 2.分配方式分配方式 静态分配：静态分配：用户作业开始之前，系统一次性分配所用户作业开始之前，系统一次性分配所有设备、控制器、通道。无死锁、效率低有设备、控制器、通道。无死锁、效率低 动态分配：动态分配：进程执行过程中根据需要进行分配。效进程执行过程中根据需要进行分配。效率高，可能引起死锁率高，可能引起死锁 3、分配技术、分配技术：独占独占 共享共享 虚拟虚拟 4.分配策略分配策略 先请求先分配先请求先分配 优先级高者优先分配优先级高者优先分配 三、设备分配程序三、设备分配程序1、
24、分配设备、分配设备 2、分配控制器、分配控制器 3、分配通道、分配通道 进程进程P发出发出I/O请求请求搜索搜索SDT找到找到DCT指针指针该设备忙吗？该设备忙吗？是是进程进程P按分配策按分配策略入略入I/O等待队列等待队列否否按分配策略选取占按分配策略选取占据该设备的进程据该设备的进程进程进程P被选中？被选中？否否进程进程P等待等待该设备空闲该设备空闲检查该设备分配检查该设备分配给进程给进程P的安全性的安全性 是是安全吗？安全吗？否否是是设备分给进程设备分给进程P查找查找COCT指针指针11控制器忙吗？控制器忙吗？是是否否控制器分给进程控制器分给进程P进程进程P等等待控制器待控制器查找查找C
25、HCT指针指针通道忙吗？通道忙吗？否否通道分给进程通道分给进程P进程进程P等等待通道待通道启动启动I/O是是6.8虚拟设备 1、引入：为解决多道程序系统中可能因独占设备的数量、引入：为解决多道程序系统中可能因独占设备的数量不足，速度慢的问题，或长时间等待的问题，人们想到了不足，速度慢的问题，或长时间等待的问题，人们想到了利用大容量、可共享的外存。利用大容量、可共享的外存。2、实现：利用共享设备模拟独占设备，这种模拟对用、实现：利用共享设备模拟独占设备，这种模拟对用户是完全透明的。户是完全透明的。预输入预输入：在输入设备空闲的时候，把作业或进程执行中：在输入设备空闲的时候，把作业或进程执行中需要
26、的数据放到共享设备的一块区域中保存需要的数据放到共享设备的一块区域中保存。当进程在。当进程在执行过程中需要这些数据时，是从共享设备，而不是从独执行过程中需要这些数据时，是从共享设备，而不是从独占设备输入占设备输入 缓输出缓输出：当进程或作业有信息输出时，系统不是把这：当进程或作业有信息输出时，系统不是把这些信息在输出设备上输出，而是把这些输出写到共享些信息在输出设备上输出，而是把这些输出写到共享设备的一块区域中，然后继续进程的执行。当输出设设备的一块区域中，然后继续进程的执行。当输出设备空闲时，再从共享设备的这块区域中取出数据输出备空闲时，再从共享设备的这块区域中取出数据输出 Simultan
27、eous Peripheral Operations On Line（SPOOLING）69 小结 设备分类设备分类：所属关系、信息传输单位、操作：所属关系、信息传输单位、操作方式、设备分配特性、设备使用特性方式、设备分配特性、设备使用特性设备管理的基本任务和功能设备管理的基本任务和功能设备工作的设备工作的I/O控制方式、通道的类型，分别控制方式、通道的类型，分别适用于哪类设备？适用于哪类设备？处理输入输出请求的步骤处理输入输出请求的步骤 中断系统中断系统：中断定义、中断源、请求、响应、优先：中断定义、中断源、请求、响应、优先级、关、屏蔽、意义、处理级、关、屏蔽、意义、处理缓冲引入、实现、类型
28、缓冲引入、实现、类型设备分配数据结构、原则、策略、方式、程序设备分配数据结构、原则、策略、方式、程序虚拟设备虚拟设备610 综合练习 在某多道程序系统中，供用户使用的内存空间有在某多道程序系统中，供用户使用的内存空间有100K，磁带机，磁带机2台，打印机台，打印机1台。系统采用可变式分区分配方式管理内存，对磁带台。系统采用可变式分区分配方式管理内存，对磁带机和打印机采用集体爱分配方式，并假设输入机和打印机采用集体爱分配方式，并假设输入/输出操作的时间忽输出操作的时间忽略不计。现有一作业序列如下表所示。略不计。现有一作业序列如下表所示。作业号作业号到达时间到达时间 要求运行要求运行时间时间要求内
29、存要求内存量量申请磁带申请磁带机数机数申请打印申请打印机数机数123458:008:208:208:308:3525分分10分分20分分20分分15分分15K30K60K20K10K1011111001假设作业调度采用先来先服务算法，优先分配内存的低地址区域假设作业调度采用先来先服务算法，优先分配内存的低地址区域且不准移动已在内存中的作业，在内存中的作业平均分配且不准移动已在内存中的作业，在内存中的作业平均分配CPU时时间，问间，问（1）作业调度次序是什么？（）作业调度次序是什么？（2）最大和最小作业周转时）最大和最小作业周转时间分别是多少？间分别是多少？(3)作业全部执行完成的时间是多少？作
30、业全部执行完成的时间是多少？2.有一页式系统，其页表存放在主存中。有一页式系统，其页表存放在主存中。（1）如果对主存的一次存取需要）如果对主存的一次存取需要1.5微秒，试问实现一次页面访微秒，试问实现一次页面访问的存取时间是多少？问的存取时间是多少？（2）如果系统加有快表，平均命中率为）如果系统加有快表，平均命中率为85%，当页表在快表中时，当页表在快表中时，其查找时间忽略为其查找时间忽略为0，试问此时的存取时间为多少？，试问此时的存取时间为多少？3.在一分页存储管理系统中，逻辑地址长度为在一分页存储管理系统中，逻辑地址长度为16位，页面大小为位，页面大小为4096字节，现有一逻辑地址为字节，
31、现有一逻辑地址为2F6AH，且第，且第0、1、2页依次存放页依次存放在物理块在物理块5、10、11中，问相应的物理地址为多少？中，问相应的物理地址为多少？4.在某计算机系统中，其屏幕显示分辨率为在某计算机系统中，其屏幕显示分辨率为640*480，若要存储一，若要存储一屏屏256色的图像，需要多少字节存储空间？色的图像，需要多少字节存储空间？5.在某计算机系统中，时钟中断处理程序每次执行的时间为在某计算机系统中，时钟中断处理程序每次执行的时间为2ms（包括进程切换开销），若时钟中断频率为（包括进程切换开销），若时钟中断频率为60Hz，试问，试问CPU用于用于中断处理的时间比率为多少？中断处理的时间比率为多少？
