HYZ-OS-2013-設(shè)備管理概念課件

124三月2023操作系統(tǒng)（A）何永忠副教授第五章：設(shè)備管理第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)組成5.2I/O控制方式5.3設(shè)備管理目標(biāo)、功能及結(jié)構(gòu)5.4緩沖管理5.5設(shè)備分配5.6設(shè)備處理5.7磁盤(pán)存儲(chǔ)器管理5.1I/O系統(tǒng)組成5.1.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.2I/O設(shè)備分類(lèi)及接口5.1.3設(shè)備控制器5.1.4I/O通道EISA總線5.1I/O系統(tǒng)組成5.1.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.2I/O設(shè)備分類(lèi)及接口5.1.3設(shè)備控制器5.1.4I/O通道I/O設(shè)備分類(lèi)按數(shù)據(jù)傳輸速率分類(lèi)高速設(shè)備、中速設(shè)備、低速設(shè)備按信息交換單位分類(lèi)塊設(shè)備（傳輸速率高、可尋址、DMA）字符設(shè)備（傳輸速率低、不可尋址、中斷）按設(shè)備共享屬性分類(lèi)獨(dú)占設(shè)備共享設(shè)備虛擬設(shè)備設(shè)備與設(shè)備控制器之間的接口控制邏輯緩沖器數(shù)據(jù)信號(hào)線信號(hào)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器控制信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線I/O設(shè)備設(shè)備控制器5.1I/O系統(tǒng)組成5.1.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.2I/O設(shè)備分類(lèi)及接口5.1.3設(shè)備控制器5.1.4I/O通道設(shè)備控制器的組成I/O邏輯數(shù)據(jù)寄存器…設(shè)備控制器與設(shè)備接口1數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)信號(hào)控制/狀態(tài)寄存器…狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)設(shè)備控制器與設(shè)備接口n數(shù)據(jù)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)控制線地址線CPU與設(shè)備控制器接口設(shè)備控制器與設(shè)備接口5.1I/O系統(tǒng)組成5.1.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.2I/O設(shè)備分類(lèi)及接口5.1.3設(shè)備控制器5.1.4I/O通道通道指令與通道程序通道指令讀指令：外設(shè)===>內(nèi)存寫(xiě)指令：內(nèi)存===>外設(shè)控制指令：具體功能與所控設(shè)備有關(guān)，如磁帶機(jī)反繞、磁盤(pán)機(jī)尋道、打印機(jī)換頁(yè)等通道程序通道指令的邏輯集合，由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序自動(dòng)生成，存放于內(nèi)存特定區(qū)域通道類(lèi)型字節(jié)多路通道含有許多非分配型子通道分別連接在低、中速I(mǎi)/O設(shè)備上，子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道，按字節(jié)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送數(shù)組選擇通道只含有一個(gè)分配型子通道，一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序、控制一臺(tái)設(shè)備按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通道獨(dú)占且利用率低，用于連接多臺(tái)高速設(shè)備數(shù)組多路通道含有多個(gè)非分配型子通道分別連接在高、中速I(mǎi)/O設(shè)備上，子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道，按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送5.1I/O系統(tǒng)組成5.1.1I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.2I/O設(shè)備分類(lèi)及接口5.1.3設(shè)備控制器5.1.4I/O通道第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)5.2I/O控制方式5.3設(shè)備管理目標(biāo)、功能及結(jié)構(gòu)5.4緩沖管理5.5設(shè)備分配5.6設(shè)備處理5.7磁盤(pán)存儲(chǔ)器管理5.2

I/O控制方式程序I/O控制方式簡(jiǎn)單的忙-等待方式中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式中斷機(jī)制的引入直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式DMA控制器、數(shù)據(jù)傳輸單位擴(kuò)大I/O通道控制方式通道、I/O操作組織和數(shù)據(jù)傳送的獨(dú)立程序I/O控制方式向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)，并初始化其狀態(tài)寄存器值讀取設(shè)備控制器狀態(tài)寄存器值狀態(tài)？出錯(cuò)處理出錯(cuò)未就緒就緒從設(shè)備控制器數(shù)據(jù)寄存器讀入字將字傳送和寫(xiě)入內(nèi)存指定單元傳送完成？下條指令完成未完成CPU→設(shè)備控制器設(shè)備控制器→CPU設(shè)備控制器→CPUCPU→內(nèi)存直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)控制方式數(shù)據(jù)傳輸單位數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)傳輸途徑設(shè)備內(nèi)存CPU干預(yù)限于數(shù)據(jù)塊傳送開(kāi)始與結(jié)束向DMA控制器發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)輸入設(shè)備輸入數(shù)據(jù)，并初始化其狀態(tài)寄存器值讀取DMA控制器狀態(tài)寄存器值下條指令CPU→DMA控制器DMA控制器→CPUCPU作其它事中斷DMA控制器組成I/O控制邏輯數(shù)據(jù)寄存器DR…設(shè)備控制器與設(shè)備接口1數(shù)據(jù)信號(hào)命令/狀態(tài)寄存器CR…狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)設(shè)備控制器與設(shè)備接口n數(shù)據(jù)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)控制信號(hào)主機(jī)與設(shè)備控制器接口設(shè)備控制器與塊設(shè)備接口數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC內(nèi)存地址寄存器MAR包括CPU和內(nèi)存系統(tǒng)總線包括數(shù)據(jù)線、地址線和控制線基于DMA磁盤(pán)讀入數(shù)據(jù)流程設(shè)置DMA控制器之內(nèi)存地址寄存器MAR和數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC初始值啟動(dòng)DMA數(shù)據(jù)傳送指令從磁盤(pán)讀入一個(gè)數(shù)據(jù)字到數(shù)據(jù)寄存器DR，挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字內(nèi)存地址寄存器MAR值遞增數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC值遞減DC=0？請(qǐng)求中斷是否CPUDMA控制器I/O通道控制方式操作碼通道程序結(jié)束標(biāo)志記錄結(jié)束標(biāo)志數(shù)據(jù)讀寫(xiě)字節(jié)計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720通道程序同一記錄操作第五章設(shè)備管理5.1I/O系統(tǒng)組成5.2I/O控制方式5.3設(shè)備管理目標(biāo)、功能及結(jié)構(gòu)5.4緩沖管理5.5設(shè)備分配5.6設(shè)備處理5.7磁盤(pán)存儲(chǔ)器管理WhatistheRoleofI/O?WithoutI/O,computersareuseless(disembodiedbrains?)But…thousandsofdevices,eachslightlydifferentHowcanwestandardizetheinterfacestothesedevices?Devicesunreliable:mediafailuresandtransmissionerrorsHowcanwemakethemreliable???Devicesunpredictableand/orslowHowcanwemanagethemifwedon’tknowwhattheywilldoorhowtheywillperform?TheGoaloftheI/OSubsystemProvideuniforminterfaces,despitewiderangeofdifferentdevicesThiscodeworksonmanydifferentdevices:

=fopen(“/dev/something”,“rw”);

for(inti=0;i<10;i++){

fprintf(fd,“Count%d\n”,i);

}

close(fd);Why?Becausecodethatcontrolsdevices(“devicedriver”)implementsstandardinterfaceImproveCPUandI/OparallelismEasyaddnewI/Odevice

WantStandardInterfacestoDevicesBlockDevices:

e.g.,

diskdrives,tapedrives,DVD-ROMAccessblocksofdataCommandsincludeopen(),read(),write(),seek()RawI/OoraccessMemory-mappedpossibleCharacter/ByteDevices:

e.g.,

keyboards,mice,serialports,someUSBdevicesSinglecharactersatatimeCommandsincludeget(),put()LibrarieslayeredontopallowlineeditingNetworkDevices:e.g.,

Ethernet,Wireless,BluetoothDifferentenoughfromblock/charactertohaveowninterfaceUnixandWindowsincludesocketinterfaceSeparatesnetworkprotocolfromnetworkoperationIncludesselect()

functionalityHowDoesUserDealwithTiming?BlockingInterface:“Wait”Whenrequestdata(e.g.,

read()

systemcall),putprocesstosleepuntildataisreadyWhenwritedata(e.g.,

write()

systemcall),putprocesstosleepuntildeviceisreadyfordataNon-blockingInterface:“Don’tWait”ReturnsquicklyfromreadorwriterequestwithcountofbytessuccessfullytransferredtokernelReadmayreturnnothing,writemaywritenothingAsynchronousInterface:“TellMeLater”Whenrequestingdata,takepointertouser’sbuffer,returnimmediately;laterkernelfillsbufferandnotifiesuserWhensendingdata,takepointertouser’sbuffer,returnimmediately;laterkerneltakesdataandnotifiesuser設(shè)備管理及目標(biāo)設(shè)備管理程序用于控制與管理實(shí)現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲(chǔ)的設(shè)備。由于I/O設(shè)備不僅種類(lèi)繁多，而且彼此特性和操作方式相差較大，從而使設(shè)備管理成為操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件緊密相關(guān)的部分。主要目標(biāo)方便用戶(hù)使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類(lèi)型設(shè)備的統(tǒng)一管理、使用并協(xié)調(diào)各臺(tái)外圍設(shè)備的并發(fā)運(yùn)作提高系統(tǒng)I/O效率，緩解CPU和多種不同處理速度的外圍設(shè)備之間的矛盾設(shè)備管理的可擴(kuò)充性，包括設(shè)備的增加和刪除以及對(duì)新的設(shè)備類(lèi)型的適應(yīng)性設(shè)備管理的功能提供設(shè)備使用的用戶(hù)接口命令接口和編程接口設(shè)備分配和釋放分配設(shè)備及相應(yīng)的通道、設(shè)備控制器。設(shè)備的訪問(wèn)和控制并發(fā)訪問(wèn)及差錯(cuò)處理。I/O緩沖和調(diào)度提高I/O訪問(wèn)效率，緩解CPU與外設(shè)矛盾設(shè)備管理層次結(jié)構(gòu)用戶(hù)進(jìn)程用戶(hù)空間I/O請(qǐng)求層硬件設(shè)備獨(dú)立性軟件層設(shè)備調(diào)度與控制層設(shè)備管理結(jié)構(gòu)用戶(hù)空間I/O請(qǐng)求層提供對(duì)邏輯設(shè)備的控制。具體來(lái)說(shuō)，針對(duì)用戶(hù)接口，提供抽象的命令，如Open,Close,Read,Write；針對(duì)通信設(shè)備，提供通信體系結(jié)構(gòu)如網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧；針對(duì)文件存儲(chǔ)設(shè)備，提供文件系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)控制。設(shè)備獨(dú)立性軟件層邏輯設(shè)備與物理設(shè)備間過(guò)渡協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)命令到設(shè)備操作序列的轉(zhuǎn)換，提供緩沖機(jī)制設(shè)備調(diào)度和控制層實(shí)現(xiàn)硬件物理設(shè)備的設(shè)備驅(qū)動(dòng)、設(shè)備控制、狀態(tài)維護(hù)、中斷處理及并發(fā)I/O訪問(wèn)調(diào)度Q1:True_False_Withanasynchronousinterface,thewritermayneedtoblockuntilthedataiswrittenQ2:True_False_InterruptsaremoreefficientthanpollingforhandlingveryfrequentrequestsQ3:True_False_Segmentationfaultisanexampleofsynchronousexception(trap)Q4:True_False_DMAismoreeffi