第15講--設(shè)備管理.ppt

1 第七章設(shè)備管理 第一節(jié)引言第二節(jié)數(shù)據(jù)傳送方式第三節(jié)中斷技術(shù)第四節(jié)緩沖技術(shù) 2 7 1 1設(shè)備管理的任務(wù) 選擇和分配輸入輸出設(shè)備 控制輸入輸出設(shè)備和CPU或內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)交換 為用戶提供一個(gè)友好的接口 把用戶和設(shè)備硬件特性分開 使用戶編程時(shí)不必關(guān)心設(shè)備的物理特性 盡量提高輸入輸出設(shè)備的利用率 發(fā)揮主機(jī)與外設(shè)以及外設(shè)與外設(shè)之間的真正并行工作能力 3 7 1 2設(shè)備管理的功能 提供與進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口 將進(jìn)程要求傳達(dá)給設(shè)備管理程序 分配設(shè)備 按設(shè)備類型和算法分配設(shè)備 包括相應(yīng)的通道 設(shè)備控制器 對(duì)未分配到設(shè)備的任務(wù)或作業(yè)進(jìn)入等待隊(duì)列 實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備 設(shè)備和CPU之間的并行操作 這需要一些硬件設(shè)備的支持 進(jìn)行存儲(chǔ)緩沖區(qū)管理 4 7 1 3外部設(shè)備分類 按系統(tǒng)和用戶分 系統(tǒng) 用戶按輸入輸出傳送方式分 UNIX或Linux操作系統(tǒng) 字符型設(shè)備 塊設(shè)備按資源特點(diǎn)分 獨(dú)享設(shè)備 共享設(shè)備 虛擬設(shè)備按設(shè)備硬件物理特性分 順序存取設(shè)備 直接存取設(shè)備 5 按系統(tǒng)和用戶分類 外存設(shè)備 軟硬盤 光盤輸入 鍵盤 鼠標(biāo) 話筒計(jì)算機(jī)I O設(shè)備 人機(jī)通信光筆 掃描儀外部設(shè)備設(shè)備數(shù)碼相機(jī) 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)輸出 顯示器 打印機(jī) 喇叭 繪圖儀計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)間的通信設(shè)備機(jī)機(jī)通信Modem 貓 路由器 網(wǎng)卡設(shè)備計(jì)算機(jī)與非計(jì)算機(jī)間的通信設(shè)備數(shù)據(jù)采集設(shè)備 自動(dòng)控制設(shè)備系統(tǒng)設(shè)備 一般是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 鍵盤 鼠標(biāo) 顯示器屬于系統(tǒng)的基本配置 用戶設(shè)備 一般為非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 需另外安裝 如打印機(jī) 聲卡 6 按輸入輸出傳送方式分 字符型設(shè)備 以字符為單位進(jìn)行輸入 輸出的設(shè)備 每輸入或輸出一個(gè)字符就中斷一次主機(jī)CPU 請(qǐng)求進(jìn)行處理 所以又稱慢速字符設(shè)備 塊設(shè)備 以字符塊為單位進(jìn)行輸入 輸出的設(shè)備 例如 硬盤 7 按資源特點(diǎn)分 獨(dú)享設(shè)備 所有字符設(shè)備都是獨(dú)享設(shè)備 在一個(gè)用戶作業(yè)未完成或退出之前 此設(shè)備不能分配給其他作業(yè)用 打印機(jī)不能同時(shí)打印多個(gè)用戶作業(yè) 否則輸出結(jié)果將會(huì)混在一起 共享設(shè)備 軟硬盤 光盤等塊設(shè)備都是共享設(shè)備 多個(gè)用戶作業(yè)或多個(gè)進(jìn)程可以 同時(shí) 從這些設(shè)備上存取信息 虛擬設(shè)備 通過軟件技術(shù)將獨(dú)享設(shè)備改造成共享設(shè)備 例如 通過SPOOLing技術(shù)將一臺(tái)打印機(jī)虛擬成多臺(tái)打印機(jī) 8 按設(shè)備硬件物理特性分 順序存取設(shè)備 存取時(shí)間與物理上當(dāng)前位置有關(guān) 如 磁帶直接存取設(shè)備 存取時(shí)間與物理上當(dāng)前位置關(guān)系不大 如 磁盤 9 7 2數(shù)據(jù)傳輸I O方式 設(shè)備與CPU或內(nèi)存的數(shù)據(jù)交互 8 2 1程序直接控制8 2 2中斷控制8 2 3DMA控制8 2 4通道控制評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)傳輸方式的指標(biāo) 速度快 數(shù)據(jù)不丟失 系統(tǒng)開銷小 10 7 2 1程序直接控制 由用戶進(jìn)程直接控制內(nèi)存與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸 當(dāng)用戶進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí) 它通過CPU發(fā)送 設(shè)備啟動(dòng)命令 用戶進(jìn)程進(jìn)入測(cè)試等待狀態(tài) 在等待時(shí)間內(nèi)CPU不斷用一條測(cè)試指令檢查設(shè)備的工作狀態(tài) 當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后 狀態(tài)寄存器的狀態(tài)置為完成狀態(tài) 發(fā)出 Done 信號(hào) 開始向內(nèi)存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù) 11 程序直接控制方式的特點(diǎn) CPU和外部設(shè)備之間只能串行工作 CPU的處理速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于外部設(shè)備 所以CPU的利用率大大降低 CPU在一段時(shí)間只能與一臺(tái)外部設(shè)備交換信息 所以不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的并行工作 由于這種方式是依靠測(cè)試設(shè)備的狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)的傳輸 所以 無法發(fā)現(xiàn)和處理由于設(shè)備或其他硬件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤 12 7 2 2中斷方式 與程序直接方式不同 它是靠中斷來實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)傳輸控制 設(shè)備與CPU之間有中斷請(qǐng)求線 在設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器中有中斷允許位 處理過程 1 當(dāng)進(jìn)程要求數(shù)據(jù)時(shí) 由CPU發(fā)出START命令 啟動(dòng)外設(shè)準(zhǔn)備數(shù)據(jù) 同時(shí)中斷允許位打開 2 現(xiàn)運(yùn)行進(jìn)程放棄CPU 等待輸入完成 進(jìn)程調(diào)度程序選擇一個(gè)新的進(jìn)程在CPU上運(yùn)行 3 當(dāng)數(shù)據(jù)從相應(yīng)的設(shè)備送到緩沖區(qū)后 由I O控制器發(fā)中斷請(qǐng)求 CPU接到請(qǐng)求后 中斷現(xiàn)運(yùn)行進(jìn)程 轉(zhuǎn)中斷處理程序執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸 4 在以后某個(gè)時(shí)刻 被中斷進(jìn)程由于獲得了數(shù)據(jù)而繼續(xù)運(yùn)行 13 中斷方式的特點(diǎn) 1 由于I O控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器比較小 裝滿數(shù)據(jù)后發(fā)生中斷 因此一次數(shù)據(jù)傳輸中會(huì)造成多次中斷 消耗大量的CPU時(shí)間 2 由于系統(tǒng)中的設(shè)備較多 中斷太多 會(huì)使CPU無法響應(yīng)中斷 造成數(shù)據(jù)丟失 3 如果外部設(shè)備的速度也比較高 CPU不能及時(shí)取走緩沖寄存器的數(shù)據(jù) 那么就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失 14 7 2 3DMA方式 它的基本思想是在外部設(shè)備與內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路 硬件要求有控制狀態(tài)寄存器 數(shù)據(jù)緩沖寄存器 內(nèi)存地址寄存器和傳輸字節(jié)計(jì)數(shù)器 工作過程 當(dāng)進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時(shí) CPU將內(nèi)存的地址和傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)送到DMA控制器的內(nèi)存地址寄存器和傳輸字節(jié)計(jì)數(shù)器中 將控制狀態(tài)寄存器的中斷允許位和啟動(dòng)位置1 啟動(dòng)設(shè)備開始數(shù)據(jù)輸入 當(dāng)前進(jìn)程等待數(shù)據(jù)輸入 調(diào)度程序選擇就緒進(jìn)程占用CPU 輸入設(shè)備不斷地將數(shù)據(jù)由設(shè)備寫入指定的內(nèi)存地址 當(dāng)完成了要求的字節(jié)數(shù)后 DMA控制器發(fā)出中斷請(qǐng)求 CPU收到中斷信號(hào)后 轉(zhuǎn)中斷處理程序進(jìn)行善后工作 15 DMA方式的特點(diǎn) 特點(diǎn)是直接從設(shè)備緩沖區(qū)將數(shù)據(jù)讀寫到指定的內(nèi)存地址 數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚝痛笮?地址都由CPU控制 中斷方式是當(dāng)數(shù)據(jù)緩存滿后發(fā)中斷要求CPU處理 而DMA方式是要求的數(shù)據(jù)全部進(jìn)入內(nèi)存后發(fā)中斷指令 因此大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù) 另外中斷方式中傳輸數(shù)據(jù)的過程是由CPU控制完成的 當(dāng)并行操作的設(shè)備過多時(shí) 可能由于CPU來不及處理 會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失 DMA方式是在DMA控制器的控制下完成的 沒有經(jīng)過CPU 16 7 2 4通道控制方式 通道方式也是以內(nèi)存為中心 實(shí)現(xiàn)設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù)的控制方式 通道是當(dāng)前計(jì)算機(jī)中使用非常普遍的設(shè)備 它是一個(gè)專門用于控制輸入輸出的處理器 有自己的通道指令 這些指令受CPU啟動(dòng) 并在操作結(jié)束后向CPU發(fā)出中斷信號(hào) 在通道方式中 I O控制器沒有傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器和內(nèi)存地址寄存器 但是多了通道設(shè)備控制器和指令執(zhí)行機(jī)構(gòu) 17 通道指令 通道指令一般包括 內(nèi)存地址 數(shù)據(jù) 傳送方向 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 I O設(shè)備的地址信息 特征信息 通道指令在進(jìn)程要求數(shù)據(jù)時(shí)由系統(tǒng)自動(dòng)生成 下面是兩條通道指令 Wirte002501850 寫 通道指令未結(jié)束 記錄未結(jié)束 250個(gè)單元 內(nèi)存地址1850 Write11250780 寫 通道指令結(jié)束 記錄結(jié)束 250個(gè)單元 內(nèi)存地址780 18 通道方式的特點(diǎn) 設(shè)備與內(nèi)存直接交換數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)的傳送方向 內(nèi)存地址 長(zhǎng)度等是由通道來控制的 DMA中這些是由CPU控制的 一個(gè)通道可以控制多臺(tái)設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 DMA方式每臺(tái)設(shè)備至少一個(gè)DMA控制器 一個(gè)通道可以以分時(shí)方式同時(shí)執(zhí)行幾個(gè)通道指令 19 7 3中斷技術(shù) 7 3 1中斷的基本思想7 3 2中斷的分類與優(yōu)先級(jí)7 3 3軟中斷7 3 4中斷處理過程 20 7 3 1中斷的基本思想 定義 中斷是指計(jì)算機(jī)在執(zhí)行期間 系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生任何非尋常的或預(yù)期的急需處理事件 使得CPU暫時(shí)中斷當(dāng)前的進(jìn)程而轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的事件處理程序 待處理完成后又返回原來被中斷處繼續(xù)執(zhí)行或調(diào)度新的進(jìn)程執(zhí)行的過程 中斷源 引起發(fā)生中斷的事件叫做中斷源 中斷請(qǐng)求 中斷源向CPU發(fā)送的中斷信號(hào)叫做中斷請(qǐng)求 中斷響應(yīng) CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)的事件處理程序稱為中斷響應(yīng) 禁止中斷 關(guān)中斷 由于處理機(jī)狀態(tài)字PSW的中斷允許位可能被清除 導(dǎo)致CPU不響應(yīng)中斷 直到PSW的中斷許可位被重新設(shè)置 即開中斷 開中斷和關(guān)中斷都是為保障程序執(zhí)行的原子性 21 中斷的基本思想 中斷屏蔽 中斷請(qǐng)求產(chǎn)生之后 系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷 而允許其他中斷仍然能夠得到響應(yīng) 有些中斷是不可屏蔽的 它們具有最高的中斷響應(yīng)級(jí)別 22 7 3 2中斷的分類與優(yōu)先級(jí) 根據(jù)中斷源產(chǎn)生的條件 可把中斷分為內(nèi)部中斷和外部中斷 內(nèi)部中斷 來自處理機(jī)和內(nèi)存的中斷 內(nèi)中斷也叫做陷阱 trap 包括程序運(yùn)算引起的各種錯(cuò)誤 例如 數(shù)據(jù)格式錯(cuò) 非法指令等 外部中斷 除了內(nèi)部中斷之外 其他來自外部的中斷都是外中斷 例如 I O設(shè)備發(fā)出的I O中斷 外部信號(hào)中斷等 中斷和陷入按輕重緩急分為不同的優(yōu)先級(jí) 為了禁止中斷和屏蔽中斷PSW也有相應(yīng)的優(yōu)先級(jí) 如果中斷源的優(yōu)先級(jí)高于PSW則處理機(jī)響應(yīng)該中斷 23 中斷和陷入的區(qū)別 陷阱通常由處理機(jī)正在執(zhí)行的指令引起 而中斷是由與現(xiàn)行指令無關(guān)的中斷引起的 陷入處理程序提供的服務(wù)是為當(dāng)前進(jìn)程的 而中斷處理程序提供的服務(wù)則不是為當(dāng)前進(jìn)程的 CPU在執(zhí)行完一條指令后 下一條指令開始之前響應(yīng)中斷 而中斷執(zhí)行過程中又可以響應(yīng)陷阱 有的系統(tǒng)將中斷處理程序在系統(tǒng)上下文上運(yùn)行 而陷入在用戶的上下文上運(yùn)行 24 7 3 3軟中斷 定義 通訊進(jìn)程之間相互發(fā)送信號(hào)來模擬硬件中斷 一個(gè)進(jìn)程A向進(jìn)程B發(fā)送一個(gè)軟中斷信號(hào)后 當(dāng)進(jìn)程B占用處理機(jī)時(shí) 立即轉(zhuǎn)去執(zhí)行該軟中斷信號(hào)所對(duì)應(yīng)的程序 有些系統(tǒng)將陷入劃歸到軟中斷處理 而有些系統(tǒng)將它看成硬中斷 25 7 3 4中斷處理過程 1 CPU檢查是否有響應(yīng)中斷的條件 中斷請(qǐng)求 CPU允許中斷 條件不滿足則中斷處理程序不處理 2 如果CPU響應(yīng)中斷 則先關(guān)中斷 以保證在中斷處理過程中不被中斷 3 保存中斷現(xiàn)場(chǎng) 4 分析中斷原因 調(diào)用中斷處理子程序 如果同時(shí)有多個(gè)中斷 則響應(yīng)級(jí)別最高的中斷 26 中斷向量 不同的中斷源有不同的中斷處理子程序 這些子程序的入口地址和不同的處理機(jī)狀態(tài)字一起構(gòu)成中斷向量 存放在內(nèi)存的特定單元中 根據(jù)中斷源系統(tǒng)查詢中斷向量表 然后轉(zhuǎn)去相應(yīng)的處理子程序 27 7 4緩沖技術(shù) 緩沖的引入緩沖的種類緩沖池的管理 28 7 4 1緩沖的引入 處理機(jī)的處理速度很高 為了使處理機(jī)的速度和外部設(shè)備的速度匹配 一般在處理機(jī)和外部設(shè)備之間加一個(gè)或多個(gè)緩沖區(qū) 達(dá)到設(shè)備之間和設(shè)備與處理機(jī)之間的并行處理目的 為了減少中斷次數(shù) 例如 當(dāng)計(jì)算進(jìn)程把大量的數(shù)據(jù)輸出到打印機(jī)上 由于CPU的輸出速度大大高于打印機(jī)的速度 因此 CPU只好停下來等待 而CPU計(jì)算時(shí) 打印機(jī)卻空閑 兩種緩沖方案 用硬件緩沖寄存器 內(nèi)存緩沖區(qū) 29 7 4 2緩沖的種類 單緩沖 在設(shè)備和處理機(jī)之間設(shè)置一個(gè)緩沖器 單緩沖不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的并行操作 雙緩沖 兩個(gè)緩沖器 以解決兩個(gè)設(shè)備之間的并行 但多個(gè)設(shè)備情況下仍然不可行 多緩沖 多個(gè)緩沖區(qū)連接起來組成兩部分 一部分專門用于輸入緩沖 另一部分專門用于輸出緩沖 緩沖池 將多個(gè)緩沖區(qū)連接起來統(tǒng)一管理 既可用于輸入 又可用于輸出 30 7 4 3緩沖池的管理 緩沖池由多個(gè)緩沖區(qū)組成 每個(gè)緩沖區(qū)由兩部分組成 一是緩沖區(qū)的首部 包括設(shè)備號(hào) 數(shù)據(jù)塊號(hào) 緩沖區(qū)號(hào) 互斥標(biāo)識(shí)位 連接指針 另一部分是存放數(shù)據(jù)的為緩沖體 系統(tǒng)將各個(gè)緩沖區(qū)按照用途分為三種隊(duì)列 空閑隊(duì)列 裝滿輸入數(shù)據(jù)的隊(duì)列 裝滿輸出數(shù)據(jù)的隊(duì)列 除了這三種隊(duì)列外 系統(tǒng)還提供四個(gè)工作緩沖區(qū) 用于進(jìn)行緩沖區(qū)相關(guān)的操作 hin 收容設(shè)備輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)sin提