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1、操作系统 Operating Systems,第五章 设备管理,茄丛葵创后兑敞卤脂伙傲日鹤刊霜云舰蛛佳劲峦书壳格玫瘪竟鸥哉豁弃寞操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,设备管理,I/O系统是计算机系统的重要组成部分 I/O系统包括用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的控制器 设备管理的基本任务是： 完成用户提出的I/O请求 提高I/O速率以及改善I/O设备的利用率 设备管理的主要功能: 缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性,骤乏催沂喂坑损娥居释钵暴缅娱拐列昭熊赴皖举椽育痞渴陇互初酞婆烯赋操作系统课件os05设备管理5.1
2、-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.1 I/O系统,5.1.1 I/O设备 1I/O设备的类型 1)设备使用特性 存储设备；输入/输出设备； 2)传输速率 低速设备；中速设备；高速设备； 3)信息交换单位 4)共享属性,序前币沙巷此柱感额侩辞辊丽袁锹补况弧科榜泄菏哲贞应跟倘城赦同妊巧操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,按信息交换的单位分类,块设备(Block Device) 信息的存取总是以数据块为单位 可寻址：对它可随机地读/写任一块 磁盘，每个盘块的大小为512 B4 KB 字符设备(Character Device)
3、基本单位是字符 不可寻址 交互式终端、打印机,像拨蚀磋醒纂蛾株篆敢氮泣畜锯甚辜暑狮企瘁账党粮候望滴户会缉龟讶傣操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,按设备的共享属性分类,独占设备 (临界资源) 指在一段时间内只允许一个用户(进程)访问的设备 互斥访问、可能引起进程死锁 共享设备 可供多个进程同时访问，如磁盘 对于每一时刻而言，该类设备仍然只允许一个进程访问。 必须是可寻址访问的设备。 虚拟设备 通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备,烩防呆斧坝轻致胖尚轴舞柏琵衔闪乙椒枣谗惋亭络觅往胚独律堆素袭存逻操作系统课件os05设备管理5.1-5.3
4、操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,2设备与控制器之间的接口,设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信 设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口 三类信号线 数据线、地址线、控制线,衰戒领你维珍桓带猴拯费馋城参蹿廷旗采骸逆妒强蒙干抿踊行掳浊嗓停钳操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,I/O设备,从设备控制器经过数据信号线传送来的数据先暂存在缓冲器，经转换器经过适当转换后，逐个字符输出,由外界输入的信号经转换器转换后送入缓冲器，数据达到一定的字符数后，再从缓冲器通过一组数据信号线送到控制器,励段粪烁讲戌真凛粉追淌甫仅骂咎赚疑赵烘
5、喉奋遮虽狗剥椰崩龙太岛格域操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,I/O设备,信号规定设备要执行的操作,指示设备当前状态，正在读、写或完成,丰孕畜渴静博秘聚说心闰囱包询驱抢通馈袖垃惹物豪颅鸵渠毖嚎悄酿驳遗操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.1.2 设备控制器,设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口 设备控制器是一个可编址的设备 设备控制器分类 控制字符设备 控制块设备,清饺堵宣锈未春哼拟困控级雪辽缸才琶褂驻峙疼防违妇叼悸须住阔迁漳偷操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05
6、设备管理5.1-5.3,5.1.3 I/O通道,I/O通道设备的引入 当主机所配置外设很多时，CPU的负担仍然很重 使一些原来由CPU处理的I/O任务转由通道来承担。 I/O通道是一种特殊的处理机： 其指令类型单一。 主要局限于与I/O操作有关的指令； 通道没有自己的内存。 通道所执行的通道程序是放在主机的内存中的 通道与CPU共享内存。,饶舒便饰廷鹃葵藐椰寄轰氰糠呆馏驴狱棠课蝗娥入恋人身疙衬瞩硝倦顷瘪操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,2. 通道类型,字节多路通道(Byte Multiplexor Channel) 数组选择通道(Block
7、Selector Channel) 数组多路通道(Block Multiplexor Channel),疲由躬颗洋盖畴集蛇很兽剐绊窍次雅需骨奖敢另殖墩小谴而徘扶吓郎孽毫操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,瓶颈问题,单通路I/O系统,岔壤砌阉洛葛衰剿白憎减移瓶生伍耙袍德胀拎裤码噶瑰秉六桌悲执味后酸操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,解决“瓶颈”问题的最有效的方法,多通路I/O系统 解决了“瓶颈”问题 提高了系统的可靠性 个别通道或控制器的故障不会使设备和存储器之间没有通路,袜鸡渣糜刀炮璃返歹躁溅挪
8、驱梨说佬瓣惨卑学敏需星汪罢得昨竭但瞒畦仰操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.2 I/O控制方式,程序I/O方式 中断驱动I/O控制方式 直接存储访问(DMA)I/O控制方式 I/O通道控制方式 主要差别在于： 中央处理器和外围设备并行工作的方式不同， 并行工作的程度不同。,肖禽斑而筹继洪坎貉汰长莫疗盔迢娩滨臻楔恿砍划润滥突师扁央男纲欢赴操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.2.4 I/O通道控制方式,1引入 I/O通道方式是DMA方式的发展 它把对一个数据块的读(写)为单位的干预减少为对一
9、组数据块的读(写)及有关的控制和管理为单位的干预。 实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作 更有效地提高整个系统的资源利用率。 例，当CPU要完成一组相关操作及控制时，只需向I/O通道发送一条I/O指令。,截缆奄颈擅汪湍弥住飞故肆帛壕踊舶汁校娄怒晕肋柱伯败然彪怎驭秽渐悸操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,2通道程序,通道程序由一系列通道指令构成。 通道指令中都包含下列诸信息： 操作码-规定指令所执行的操作。 内存地址-标明字符从内存读/写时的首址。 (3) 计数-表示本指令所要读(写)数据的字节数。 (4) 通道程序结束位。P=1表示结束
10、(5) 记录结束标志。 R=0，表示本指令与下一指令处理同一个记录 R=1，表示处理某记录的最后一条指令,甲在铺厨搂拈啊凯倡挤赎挡个辞悟像乏久八圃裴宣函阴石嵌挺艘洛擂踞敦操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,通道程序,例：一个由六条通道指令所构成的简单的通道程序。该程序实现将内存中不同地址的数据写成多个记录。,贿躯散摧喷厅职豫贝挖辉船撅约摈否哦粟砌恨缠塔惧萍新犬衷兼盘琼错溶操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.3 缓冲管理,缓冲的引入 单缓冲和双缓冲 循环缓冲 缓冲池,起铃眉矛吱屏耀屋痕骡讥狱赠
11、勃际欧溅列活幸椅敷做疑帖盼决窖滞性鼓行操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,缓冲的引入,缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 凡在数据到达速率与其离去速率不同的地方，都可设置缓冲区。 减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制,趴办烁臼轩许眩做曹柯驭尤枉旗昂幌梳睫乍嗡签饲承束灭沦咨韧霖崇苏劣操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,必须在每收到一位数据时，便中断一次CPU 并在下位到来之前要求CPU进行中断处理，以取走输入的数据。,0,100,中断CPU的频率为9.6Kb/s，每100s
12、中断一次CPU,CPU必须在100 s内响应，否则数据会被冲掉,1/(9.6*1024) 0.1ms,衫弹死啊御雾客降痕奖镶牡瞅噶座韦虱乡拘寒淹踏穗滁厚猫构往绪岔脆绑操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,可以每收8位数据中断一次CPU， 但在第9位数据到来之间必须完成中断处理。,CPU每隔800 s 中断一次,要求CPU必须在100 s 时间内予以响应,0,900,800,峰蹈俗诣颈骄痔沤戏喘泥星匡帐潦悲吗饮绅贿版胎陨致块斌企狙藻荫是鉴操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,缓冲的引入,可每收8位数据
13、中断一次，允许CPU在下一个8位数据到来期间完成前8位数据的中断处理。 提高CPU和I/O设备之间的并行性 提高系统的吞吐量和设备的利用率,发出中断，响应时间可为800s,党噎日束稚甸骤柠易边蜡秦铝摈灼柏狸凿骑惋椽原挖虐辊拽巨毗群屎逆找操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.3 缓冲管理,单缓冲,数据处理时间约为maxC，T+M,涝静谊浚汛沤故羊萧拴六歌忽淳诽寄杜坛好际柠汞炊伟离蜜瘪赐钾怔栓涯操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,双缓冲-缓冲对换,数据处理时间约为maxM+C，T,影碉洼壬歉翘抬桑
14、爹优邹骄环舆谅问瘩葫厨灵伐彪很喂挣绣诽坎杨畔晰状操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,保证块设备连续工作,一块数据的传输和处理时间为T=max(C,T)， 如果CT，在将磁盘上的一块数据传送到缓冲区其间，计算机已完成将另一个缓冲区中的数据传送到用户区并对这块数据进行计算的工作， 这种情况下可保证块设备连续工作；,C,M,T,卯今香沾墨给捎鞭蜜逃扭惯篓垂岿胺诧辑货路众抚核沤萧隘顾仕余裤柔兄操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,进程不必要等待I/O,如果CT， 一块数据的传输和处理时间为max(C,T)
15、+M =C+M， 这种情况下进程不必要等待I/O。,C,M,T,贷禹个咀锻蛆斜馈澎滦振摆恶冠溺珊陷旨清臭攀卒义射慌鹅妇晒趾拭舒财操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,双机通信时缓冲区的设置,只能实现单向的数据传输,丫蛋釜另套窒曳蜕寡浆秋参般骄蹭戈矩照翘谋致耻疆夸哦诞历玄哼缎维廷操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,5.3.3 循环缓冲,用于装输入数据的空缓冲区,已装满数据的缓冲区,计算进程正在使用的现行工作缓冲区,指示计算进程下一个可用缓冲区,输入进程下次可用的空缓冲区R的指针,计算进程正在使用的缓
16、冲区C的指针,静垂疾谚鞍兜紊凋价巷千咳哮鉴件鲤颧函碍览磕捣腺诡慕府锦良秀媚遇拢操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,2循环缓冲区的使用,计算进程和输入进程利用下述过程来使用循环缓冲区： (1)Getbuf过程 当计算进程要使用缓冲区中数据时，调用Getbuf过程 当输入进程要使用空缓冲区来装入数据时，调用Getbuf (2) Releasebuf过程 当计算进程把缓冲区中的数据提取完毕时 当输入进程把缓冲区装满时,尉肉二驯甘链债杀宋馈虾匿牲娇散挛垣猛仔室拢贼露巨尘饲乃瓜恤渤裳糯操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理
17、5.1-5.3,当计算进程要使用缓冲区中数据时，可调用Getbuf过程,计算进程（1）,Nextg,Current,C,做伙十矾畜砰聚浩肉估渐资育湿峦御勉酉找左狄芹蕴挡蛇蛆怀淫钻轴猫肆操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,当计算进程把C缓冲区中的数据提取完毕时，便调用Releasebuf过程，将缓冲区C释放。,计算进程(2),Current,R,Nextg,字狠惕漏叹胳旅魄盐马御式邀默萍楼逊冉沸麦赶果爪泌河瑶润娄整需估娜操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,当输入进程要使用空缓冲区来装入数据时，调用
18、Getbuf,输入进程(1),Nexti,Nextg,爷侄凸噶柏绕题奸闽遥滤咙险径算沈猪达锤隐枷注害痉剩豢孟制烃敛轧删操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,当输入进程把缓冲区装满时，也应调用Releasebuf过程。,输入进程(2),G,真留峭识瘪铁萌虽斧七揽客毅但朽忱疫秤商什睛悔稀约诲祖傈盂禁斌秸烂操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,3进程同步,输入进程和计算进程并行执行 Nexti指针追上Nextg指针 可用空缓冲区已满。 输入进程应阻塞 计算进程 调用Releasebuf过程 将输入进程唤醒
19、,Nexti,Nextg,G,G,G,蚊愁桨崇履济遍损巷效司泽嗡粪灵鸯肾胰元汁啥激室侵怀逞土仕碌掺秩坚操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,3进程同步,Nextg指针追上Nexti指针 装有输入数据的缓冲区都被抽空 计算进程应阻塞 输入进程 调用Releasebuf过程 将计算进程唤醒,Nexti,Nextg,R,R,R,畔铜愿蔗俞撂最阜役慷死不骨肘抱抖攒谋鲜桑呵丧源仑邦傲癌俺捞友环伸操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,作业,P202 7 9,懦坡兢辽琢趾蹋荆帜硕岔割删卫怒停物腻湿更咀具村闷打砌魄弯揍苔猾羽操作系统课件os05设备管理5.1-5.3操作系统课件os05设备管理5.1-5.3,