第5章設(shè)備管理

設(shè)備管理2目錄引言數(shù)據(jù)傳送控制方式中斷技術(shù)緩沖技術(shù)設(shè)備分配I/O進(jìn)程控制設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序引言設(shè)備的類別1．按設(shè)備的使用特性分存儲(chǔ)設(shè)備、輸入/輸出設(shè)備、終端設(shè)備以及脫機(jī)設(shè)備2．按設(shè)備的從屬關(guān)系分系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備兩種3．按信息組織方式分字符設(shè)備和塊設(shè)備按使用特性對(duì)外部設(shè)備的分類1．選擇和分配輸入輸出設(shè)備，完成數(shù)據(jù)傳輸；2．控制輸入輸出設(shè)備，使其能與內(nèi)存之間正常地交換數(shù)據(jù)；3．為用戶提供一個(gè)友好的使用設(shè)備的界面，將用戶對(duì)設(shè)備的使用與設(shè)備的硬件特性分離，方便用戶對(duì)設(shè)備的使用，同時(shí)還要方便用戶增添新的設(shè)備和設(shè)備管理程序；4．提高設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與CPU之間的并發(fā)度，使系統(tǒng)獲得最佳效率。設(shè)備管理的功能和任務(wù)設(shè)備分配緩沖區(qū)管理提供使用設(shè)備接口設(shè)備傳送控制技術(shù)：中斷、DMA、通道數(shù)據(jù)傳送控制方式選擇和衡量控制方式原則：數(shù)據(jù)傳送速度足夠高，但又不丟失數(shù)據(jù)；系統(tǒng)開銷小，所需的處理控制程序少；能充分發(fā)揮硬件資源的能力，使得I/O設(shè)備盡量忙，而CPU等待時(shí)間少。4種常用數(shù)據(jù)傳送控制方式：程序直接控制方式中斷控制方式DMA方式通道方式程序直接控制方式由用戶進(jìn)程直接控制內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間信息傳送。通常又稱為“忙—等”方式或循環(huán)測(cè)試方式。程序直接控制方式優(yōu)點(diǎn)：控制方式簡(jiǎn)單無需太多硬件支持缺點(diǎn)：CPU和設(shè)備只能串行工作、設(shè)備之間也只能串行工作。依靠測(cè)試設(shè)備狀態(tài)位來控制數(shù)據(jù)傳送，無法發(fā)現(xiàn)和處理或其他硬件所產(chǎn)生的錯(cuò)誤。只適用于CPU執(zhí)行較慢、外圍設(shè)備較少的系統(tǒng)。中斷方式為減少程序直接控制方式中CPU等待時(shí)間以及提高系統(tǒng)的并行工作程序，可采用中斷方式傳送數(shù)據(jù)。中斷方式要求CPU與設(shè)備之間有相應(yīng)的中斷請(qǐng)求線，且在設(shè)備控制器的控制狀態(tài)寄存器中有相應(yīng)的中斷允許位。中斷控制方式的傳送結(jié)構(gòu)中斷控制方式的處理過程9.2.2中斷方式優(yōu)點(diǎn)：與程序直接控制方式相比，中斷方式CPU的利用率大大提高且能支持多道程序和設(shè)備的并行操作。缺點(diǎn)：因I/O控制器的數(shù)據(jù)緩沖寄存器較小，數(shù)據(jù)傳送一次發(fā)生較多中斷次數(shù)。耗費(fèi)大量CPU時(shí)間。當(dāng)外設(shè)較多時(shí)，中斷次數(shù)的急劇增加將會(huì)導(dǎo)致CPU無法響應(yīng)中斷和出現(xiàn)丟數(shù)據(jù)現(xiàn)象。若外圍設(shè)備速度較高時(shí)，可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖寄存器的數(shù)據(jù)由于CPU來不及取走而丟失。9.2.3DMA方式又稱直接存取方式(DirectMemoryAccess)基本思想：在外設(shè)和內(nèi)存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。DMA方式中，I/O控制器功能比中斷和程序方式更強(qiáng)DMA方式的傳送結(jié)構(gòu)示意圖DMA方式的數(shù)據(jù)傳送處理過程DMA方式與中斷方式的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖寄存器滿之后發(fā)中斷要求CPU進(jìn)行中斷處理，而DMA則是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時(shí)要求CPU進(jìn)行中斷處理。中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時(shí)由CPU控制完成的，而DMA方式是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU完成。這樣就避免了CPU因并行操作設(shè)備過多會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。DMA方式的特點(diǎn)對(duì)外設(shè)管理和一些操作仍需CPU多個(gè)DMA控制器的同時(shí)使用顯然會(huì)引起內(nèi)存地址的沖突并使得控制過程進(jìn)一步復(fù)雜化。多DMA控制器同時(shí)使用也提高了機(jī)器成本通道控制方式存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度由一個(gè)專門負(fù)責(zé)輸入/輸出的硬件即通道來控制。一個(gè)通道可控制多臺(tái)設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。通道的定義(基本思想)：獨(dú)立于CPU的專門負(fù)責(zé)輸入輸出控制的處理機(jī)，它控制設(shè)備與內(nèi)存直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。有自己的通道指令，這些指令受CPU啟動(dòng)，并在操作結(jié)束時(shí)向CPU發(fā)中斷信號(hào)。通道方式減輕了CPU的工作負(fù)擔(dān)，增加了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的并行工作程度。緩沖技術(shù)緩沖的引入匹配外設(shè)與CPU間的處理速度減少中斷次數(shù)和CPU的中斷處理時(shí)間解決DMA或通道方式時(shí)的瓶頸問題緩沖的種類單緩沖雙緩沖多緩沖緩沖池緩沖池結(jié)構(gòu)由多個(gè)緩沖區(qū)構(gòu)成一個(gè)緩沖池隊(duì)列緩沖區(qū)的構(gòu)成：緩沖首部：用來標(biāo)識(shí)、管理該緩沖區(qū)緩沖體：存放數(shù)據(jù)對(duì)緩沖池的管理是通過對(duì)每個(gè)緩沖器的緩沖首部進(jìn)行操作實(shí)現(xiàn)的。三種緩沖隊(duì)列空白緩沖隊(duì)列em裝滿輸入數(shù)據(jù)的輸入緩沖隊(duì)列in裝滿輸出數(shù)據(jù)的輸出緩沖隊(duì)列out緩沖池的管理對(duì)緩沖池的管理由4個(gè)操作組成：從三種緩沖區(qū)隊(duì)列中按一定的選取規(guī)則取出一個(gè)緩沖區(qū)的過程take_buf(type)把緩沖區(qū)按一定的選取規(guī)則插入相應(yīng)的緩沖區(qū)隊(duì)列的過程add_buf(type,number)供進(jìn)程申請(qǐng)緩沖區(qū)用的過程get_buf(type,number)供進(jìn)程將緩沖區(qū)放入相應(yīng)緩沖區(qū)隊(duì)列的過程put_buf(type,work_buf)設(shè)備分配1.設(shè)備分配原則充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能地讓設(shè)備忙，同時(shí)要避免由于不合理的分配方法造成進(jìn)程死鎖；把用戶程序和具體物理設(shè)備隔離。2.設(shè)備分配方式：靜態(tài)和動(dòng)態(tài)靜態(tài)分配：作業(yè)開始前由系統(tǒng)一次分配優(yōu)點(diǎn)：不會(huì)出現(xiàn)死鎖缺點(diǎn)：設(shè)備使用效率低動(dòng)態(tài)分配：由進(jìn)行執(zhí)行所需進(jìn)行分配優(yōu)點(diǎn)：有利于提高設(shè)備利用率缺點(diǎn)：分配算法不當(dāng)，可能造成死鎖3.設(shè)備分配策略：先請(qǐng)求先分配、優(yōu)先級(jí)高者先分配設(shè)備分配管理用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表1.設(shè)備控制表(devicecontroltableDCT)反映設(shè)備的特性、設(shè)備和I/O控制器的連接情況，一個(gè)設(shè)備一張?jiān)O(shè)備標(biāo)識(shí)符設(shè)備類型設(shè)備地址或設(shè)備號(hào)設(shè)備狀態(tài)等待隊(duì)列指針I(yè)/O控制器指針DCT2.系統(tǒng)設(shè)備表(systemdevicetableSDT)記錄已被連接到系統(tǒng)中的所有物理設(shè)備的情況，并為每個(gè)物理設(shè)備設(shè)一表項(xiàng)，整個(gè)系統(tǒng)一張。內(nèi)容：DCT指針正在使用設(shè)備的進(jìn)程進(jìn)程標(biāo)識(shí)設(shè)備類型和設(shè)備標(biāo)識(shí)符3.控制器表(ControlerControltableCOCT)每個(gè)控制器一張，反應(yīng)I/O控制器的使用狀態(tài)以及和通道的連接情況等。4.通道控制表(CHannelControlTableCHCT)只在通道控制方式的系統(tǒng)中存在，每個(gè)通道一張。內(nèi)容：通道標(biāo)識(shí)通道忙/閑標(biāo)識(shí)等待獲得該通道的進(jìn)程等待隊(duì)列的隊(duì)首指針與隊(duì)尾指針設(shè)備分配流程圖I/O進(jìn)程控制I/O控制的引入何時(shí)分配設(shè)備、何時(shí)申請(qǐng)緩沖、哪個(gè)進(jìn)程響應(yīng)中斷？

I/O進(jìn)程控制I/O進(jìn)程控制功能I/O進(jìn)程控制的實(shí)現(xiàn)作為請(qǐng)求I/O操作的進(jìn)程的一部分實(shí)現(xiàn)作為當(dāng)前進(jìn)程的一部分實(shí)現(xiàn)

由專門的I/O進(jìn)程完成每類設(shè)備設(shè)一個(gè)核心態(tài)運(yùn)行的I/O進(jìn)程整個(gè)系統(tǒng)設(shè)一個(gè)I/O進(jìn)程每類設(shè)備設(shè)一個(gè)核心和用戶態(tài)均可運(yùn)行的I/O進(jìn)程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)物理設(shè)備和DMA控制器或I/O控制器等直接進(jìn)行I/O操作的子程序的集合。負(fù)責(zé)設(shè)備相應(yīng)設(shè)備有關(guān)寄存器的值，啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行I/O操作，指定操作的類型和數(shù)據(jù)流向等。系統(tǒng)通過設(shè)備開關(guān)表對(duì)驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行管理。設(shè)備開關(guān)表也是I/O進(jìn)程的一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它給出相應(yīng)設(shè)備的各種操作子程序的入口地址。I/O控制過程為進(jìn)程分配設(shè)備和緩沖區(qū)后，通過設(shè)備開關(guān)表調(diào)用所需的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行I/O操作。本章小結(jié)設(shè)備管理的主要任務(wù)：控制設(shè)備和CPU之間進(jìn)行I/O操作。常用設(shè)備和C