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第九章第九章 设备管理设备管理9.1 引言引言9.1.1 设备的类别设备的类别存储设备存储设备输入输出设备输入输出设备终端设备终端设备脱机设备脱机设备磁带磁带 软盘软盘磁盘磁盘 硬盘硬盘其他（磁鼓，光盘等）其他（磁鼓，光盘等）键盘键盘打印机打印机显示器显示器图形输入输出设备图形输入输出设备图像输入输出设备图像输入输出设备绘图机绘图机音声输入输出设备音声输入输出设备网络通信板网络通信板其他其他会话型会话型通用终端通用终端批处理型批处理型智能终端智能终端专用终端专用终端虚终端虚终端外部设备外部设备图图 9.1 按使用特性对外部设备的分类按使用特性对外部设备的分类IO设备的分的分类按数据按数据传输率分率分类低速低速设备：键盘、鼠、鼠标等等 数据数据传输率在每秒几个到几百字率在每秒几个到几百字节范范围。中速中速设备：针式、激光打印机等式、激光打印机等 数据数据传输率在每秒数千字率在每秒数千字节到万字到万字节的范的范围。高速高速设备：磁：磁盘、光、光盘等等UNIX系统就把外部设备画分为系统就把外部设备画分为:字符设备和块设备。字符设备和块设备。键盘、终端、打印机等以字符为单位键盘、终端、打印机等以字符为单位组织和处理信息的设备被称为组织和处理信息的设备被称为字符设备；字符设备；而磁盘、磁带等以字符块为单位组织而磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理信息的设备被称为和处理信息的设备被称为块设备块设备。按共享属性划分按共享属性划分设备类型型独占独占设备一段一段时间内只允内只允许一个用一个用户（进程）程）访问的的设备；如打印机、磁如打印机、磁带机等机等顺序序设备；作作为系系统资源，也称源，也称为临界界资源；源；在多个在多个进程并程并发运行的系运行的系统中，中，应互斥的互斥的访问该类资源。源。使用方式：申使用方式：申请，使用，使用，使用，使用，使用，使用，释放。放。共享共享设备一段一段时间内可以允内可以允许多个用多个用户（进程）程）访问的的设备；如磁如磁盘可随机可随机访问的随机的随机设备；使用方式：使用，使用，使用方式：使用，使用，使用。，使用。虚虚拟设备通通过虚虚拟技技术将独占将独占设备变换成可以共享的成可以共享的逻辑设备，供，供多个多个进程同程同时访问。spooling技技术9.1.2 设备管理的功能和任务设备管理的功能和任务1、任务、任务 A、分配设备、分配设备 B、外设与、外设与CPU交换数据交换数据 C、提供用户和设备之间的接口、提供用户和设备之间的接口 D、实现设备与设备、设备与、实现设备与设备、设备与CPU的并的并行操作行操作2、功能、功能 A、将进程对设备的要求转达给设备管、将进程对设备的要求转达给设备管理程序理程序 B、分配设备给请求进程，并使未满足、分配设备给请求进程，并使未满足设备要求的进程阻塞等待。设备要求的进程阻塞等待。C、实现设备与设备、设备与、实现设备与设备、设备与CPU的并的并行操作行操作 D、进行缓冲区管理、进行缓冲区管理9.2 数据传送控制方式数据传送控制方式 设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或设备管理的主要任务之一是控制设备和内存或CPU之间的数据传送，本节介绍常用数据传送控制方式。之间的数据传送，本节介绍常用数据传送控制方式。选择和衡量控制方式有如下几条原则：选择和衡量控制方式有如下几条原则：(1)数据传送速度足够高，能满足用户的需要但又不丢数据传送速度足够高，能满足用户的需要但又不丢失数据；失数据；(2)系统开销小，所需的处理控制程序少；系统开销小，所需的处理控制程序少；(3)能充分发挥硬件资源的能力，使得能充分发挥硬件资源的能力，使得I/O设备尽量忙，设备尽量忙，而而CPU等待时间少。等待时间少。IO操作由程序发起处理器定期轮询IO设备的状态直到处理完毕有点：简单，易于实现缺点：耗费大量的时间在设备状态的查询上，严重降低系统性能程序直接控制方式程序直接控制方式(CPU与与 IO无并行无并行)1、硬件连接方式、硬件连接方式 I/O控制器控制器 1 I/O控制器控制器 nI/O设备设备1I/O设备设备nCPU数据线数据线地址线地址线控制线控制线内存内存Start 启动位启动位状态位状态位控制状态寄存器控制状态寄存器：信号线：信号线图图 程序直接控制方式程序直接控制方式数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器程序控制程序控制IO(主机询问外设主机询问外设)发送发送IO请求请求读取读取IO状态状态检查检查IO状态状态进行进行IO传输，读取数据传输，读取数据将数据写入内存将数据写入内存没有就绪，没有就绪，进行轮询进行轮询CPU-IOIO-CPU出错处理出错处理IO-CPUCPU-内存内存9.2.2 I/O中断方式中断方式(CPU与与 IO按字节并行按字节并行)1、硬件连接方式、硬件连接方式 I/O控制器控制器 1 I/O控制器控制器 nI/O设备设备1I/O设备设备nCPU数据线数据线地址线地址线控制线控制线Int内存内存Start 启动位启动位中断位中断位控制状态寄存器控制状态寄存器：信号线：信号线图图 9.3 中断控制方式的传送结构中断控制方式的传送结构数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器中断中断驱动IO(外设请求主机外设请求主机)发送发送IO请求请求读取读取IO状态状态检查检查IO状态状态进行进行IO传输，读取数据传输，读取数据将数据写入内存将数据写入内存CPU-IOIO-CPU出错处理出错处理CPU转去执行其他任务转去执行其他任务IO中断中断中断处理中断处理是核心是核心就绪就绪中断中断IO的的优点点优点点 外外设进行数据行数据处理的理的时候，候，CPU不必等待，不必等待，从而提高了从而提高了CPU的使用率的使用率 能能处理异常，提供系理异常，提供系统调用用缺点缺点 CPU每次每次处理的数据量比理的数据量比较少（通常不超少（通常不超过几个字几个字节=数据缓冲寄存器的大小数据缓冲寄存器的大小）DMA技技术 直接直接访问存存储器器 系系统总线上引入新的独立控制上引入新的独立控制单元元-DMA控控制器制器 DMA控制器控制内存与控制器控制内存与IO设备之之间的数据的数据传输9.2.3 DMA方式方式(CPU与与 IO按块并行按块并行)1、硬件连接方式、硬件连接方式I/O设备设备DMA控制器控制器CPU内存内存数据数据IntStart中断位中断位 启动位启动位 控制状态寄存器控制状态寄存器数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器传送字节数计数器传送字节数计数器内存地址寄存器内存地址寄存器图图 9.5 DMA方式的传送结构方式的传送结构DMA控制过程 通道控制方式通道控制方式(CPU与与 IO并行并行)通道引入通道引入 由通道控制器由通道控制器处理理IO 有自己有自己专用的内存器用的内存器 可可执行由通道指令行由通道指令组成的通道程序成的通道程序 可可进行行较为复复杂的的IO控制控制1、硬件连接方式、硬件连接方式CPU内存内存字节字节多路通道多路通道数组数组多路通道多路通道选择通道选择通道I/O控制器控制器I/O控制器控制器I/O控制器控制器终端终端终端终端终端终端I/O控制器控制器磁带磁带I/O控制器控制器磁带磁带I/O控制器控制器磁带磁带I/O控制器控制器磁带磁带图图 9.7 通道方式的数据传送结构通道方式的数据传送结构2、通道工作方式、通道工作方式 为了摆脱繁杂的为了摆脱繁杂的I/O工作，一旦有输入工作，一旦有输入输出任务，输出任务，CPU下达给通道，通道通过执下达给通道，通道通过执行行通道程序通道程序，独立的完成输入输出工作，独立的完成输入输出工作，然后向然后向CPU汇报。实现了设备与设备、通汇报。实现了设备与设备、通道与通道、通道与道与通道、通道与CPU、设备与、设备与CPU的并的并行操作。行操作。通道是通道是专门完成输入输出工作的硬件机专门完成输入输出工作的硬件机构，也称为构，也称为I/O处理器处理器。通道有自己的指。通道有自己的指令，称通道控制字令，称通道控制字(CCW)。其指令形式为：。其指令形式为：操作码操作码 P R 计数计数 内存地址内存地址write 0 0 250 1850write 1 1 250 720 以上为一简单的通道程序，表示把一个以上为一简单的通道程序，表示把一个记录的记录的500个字符分别写入从内存个字符分别写入从内存1850开开始的始的250个单元，和从内存个单元，和从内存720开始的开始的250个单元中。个单元中。通道指令在进程要求数据时，由系统自通道指令在进程要求数据时，由系统自动生成，通道程序放在内存中，有一个通动生成，通道程序放在内存中，有一个通道地址寄存器存放通道程序的首地址。还道地址寄存器存放通道程序的首地址。还有一个通道状态字寄存器存放通道程序的有一个通道状态字寄存器存放通道程序的执行情况。执行情况。通道控制方式数据输入过程描述如下：通道控制方式数据输入过程描述如下：A、当输入数据时，、当输入数据时，CPU发启动指令，并指出发启动指令，并指出I/O操作、设备号以及对应的通道。操作、设备号以及对应的通道。B、通道收到启动指令后，形成通道程序，设、通道收到启动指令后，形成通道程序，设置对应设备的控制状态。置对应设备的控制状态。C、执行通道程序，将数据送入内存指定区域。、执行通道程序，将数据送入内存指定区域。D、输入结束时，发出中断信号，请求、输入结束时，发出中断信号，请求CPU处理。处理。E、中断处理结束后，返回被中断的进程，继续、中断处理结束后，返回被中断的进程，继续执行。执行。9.3 中断技术中断技术9.3.1 中断的基本概念中断的基本概念1、术语、术语 A、中断、中断 B、中断源、中断源 C、中断响应、中断响应 D、中断屏蔽、中断屏蔽 E、关中断和开中断、关中断和开中断(禁止中断和允许中断禁止中断和允许中断)F、中断处理、中断处理 G、中断优先级、中断优先级 H、中断嵌套、中断嵌套 中断中断(Interrupt)是指计算机在执行是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。处继续执行或调度新的进程执行的过程。引起中断发生的事件被称为引起中断发生的事件被称为中断源中断源。中断源向中断源向CPU发出的请求中断处理信发出的请求中断处理信号称为号称为中断请求中断请求，而而CPU收到中断请求后转相应的事件收到中断请求后转相应的事件处理程序称为处理程序称为中断响应中断响应。在有些情况下，尽管产生了中断源和发出了在有些情况下，尽管产生了中断源和发出了中断请求，但中断请求，但CPU内部的处理机状态字内部的处理机状态字PSW的的中断允许位已被清除，从而不允许中断允许位已被清除，从而不允许CPU响应中响应中断。这种情况称为断。这种情况称为禁止中断禁止中断。CPU禁止中断后只有等到禁止中断后只有等到PSW的中断允许的中断允许位被重新设置后才能接收中断。禁止中断也称位被重新设置后才能接收中断。禁止中断也称为为关中断关中断，PSW的中断允许位的设置也被称为的中断允许位的设置也被称为开中断开中断。中断请求、关中断、开中断等都由硬。中断请求、关中断、开中断等都由硬件实现。件实现。开中断和关中断是为了保证某些程序执行开中断和关中断是为了保证某些程序执行的原子性。的原子性。中断屏蔽是中断屏蔽是指在中断请求产生之后，系统用指在中断请求产生之后，系统用软件方式有选择地封锁部分中断而允许其余部软件方式有选择地封锁部分中断而允许其余部分的中断仍能得到响应。分的中断仍能得到响应。2、中断分类与优先级、中断分类与优先级 通常，根据中断源产生的条件，分为外中断和通常，根据中断源产生的条件，分为外中断和内中断。内中断。外中断外中断是来自处理机和内存外部的中断，如是来自处理机和内存外部的中断，如I/O中断、外部信号中断。中断、外部信号中断。内中断内中断是处理机和内存内部产生的中断，称为是处理机和内存内部产生的中断，称为陷入陷入(trap)，包括程序性中断、访管中断，包括程序性中断、访管中断(系统系统调用调用)。中断优先级中断优先级是指，根据中断请求轻重缓急的程是指，根据中断请求轻重缓急的程度，排列出来的响应中断的次序。度，排列出来的响应中断的次序。3、软中断、软中断 中断和陷入都可看作中断和陷入都可看作硬件中断。硬件中断。若由通信进程之间模拟硬中断的信号若由通信进程之间模拟硬中断的信号通信方式，称为通信方式，称为软中断软中断。当。当CPU收到软中收到软中断信号后，只在适当的时机才做响应。断信号后，只在适当的时机才做响应。例如：编程异常通常叫做软中断例如：编程异常通常叫做软中断 中断源发中断请求或软中断信号后中断源发中断请求或软中断信号后,CPU或接收进程在适当的时机自动进行中或接收进程在适当的时机自动进行中断处理或完成软中断信号对应的功能。断处理或完成软中断信号对应的功能。软中断是软件实现的中断软中断是软件实现的中断,也就是程序也就是程序运行时运行时其他程序对它的中断其他程序对它的中断;而硬中断是硬而硬中断是硬件实现的中断件实现的中断,是程序运行时是程序运行时设备对它的中设备对它的中断。断。4、中断处理过程、中断处理过程图图 9.8 中断处理过程中断处理过程判断中断响应文件判断中断响应文件关中断关中断保存被中断现场保存被中断现场分析中断原因分析中断原因转中断处理子程序转中断处理子程序执行中断处理子程序执行中断处理子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9.4 缓冲技术缓冲技术一、缓冲区一、缓冲区 通常，使用硬件寄存器或者一个内存区通常，使用硬件寄存器或者一个内存区域，作为缓冲区，用于数据的输入输出传域，作为缓冲区，用于数据的输入输出传送。送。1、引入缓冲的好处、引入缓冲的好处A、使慢速外设与快速、使慢速外设与快速CPU速度尽可能匹速度尽可能匹配。配。B、减少外设中断、减少外设中断CPU的次数和的次数和CPU处理处理中断花费的时间。中断花费的时间。C、缓解输入输出过程中、缓解输入输出过程中DMA或通道方式或通道方式时的瓶颈问题。时的瓶颈问题。2、缓冲的种类、缓冲的种类A、单缓冲、单缓冲B、双缓冲、双缓冲C、多缓冲、多缓冲D、缓冲池、缓冲池3、缓冲池的管理、缓冲池的管理A、由若干缓冲区组成，每个缓冲区有一、由若干缓冲区组成，每个缓冲区有一个缓冲区首部个缓冲区首部(缓冲区控制块缓冲区控制块)，登记本缓，登记本缓冲区的有关情况，其主要内容如上图：冲区的有关情况，其主要内容如上图：连接指针连接指针互斥标识位互斥标识位缓冲器号缓冲器号数据块号数据块号设备号设备号图图 9.9 缓冲首都缓冲首都B、缓冲区队列。系统将缓冲区分成三种、缓冲区队列。系统将缓冲区分成三种队列：空白队列、装满输入数据的输入缓队列：空白队列、装满输入数据的输入缓冲队列、装满输出数据的输出缓冲队列。冲队列、装满输出数据的输出缓冲队列。F(em)缓冲区缓冲区1 缓冲区缓冲区2 L(em)F(in)缓冲区缓冲区1 缓冲区缓冲区m L(in)F(out)缓冲区缓冲区n L(out)图图 9.10 缓冲区队列缓冲区队列C、工作缓冲区、工作缓冲区D、管理缓冲池的几个操作、管理缓冲池的几个操作a、从三种缓冲区队列中按一定的选取规、从三种缓冲区队列中按一定的选取规则取出一个缓冲区的过程则取出一个缓冲区的过程take_buf(type);b、把缓冲区按一定的选取规则插入相应、把缓冲区按一定的选取规则插入相应缓冲区队列的过程缓冲区队列的过程add_buf(type,number)缓冲区缓冲区1 缓冲区缓冲区n图图 9.11 缓冲池的工作缓冲区缓冲池的工作缓冲区 h in s out 缓冲区缓冲区m 缓冲区缓冲区z s in h out缓冲池缓冲池提取输入提取输入收容输入收容输入收容输出收容输出提取输出提取输出CPUI/O设备设备c、供进程申请缓冲区用的过程、供进程申请缓冲区用的过程get_buf(type,number)；d、供进程将缓冲区放入相应缓冲区队列、供进程将缓冲区放入相应缓冲区队列的过程的过程put_buf(type,work_buf).其中，参数其中，参数type表示缓冲队列类型，表示缓冲队列类型，number表示缓冲区号，表示缓冲区号，work_buf表示工表示工作缓冲区类型。作缓冲区类型。9.5 设备分配设备分配一、设备分配使用的数据结构一、设备分配使用的数据结构表目表目i表目表目1SDFDCT指针指针获得设备的进程获得设备的进程设备标识设备标识设备类型设备类型COCT指针指针控制器等待队列首控制器等待队列首控制器等待队列尾控制器等待队列尾设备忙闲标记设备忙闲标记设备标识设备标识设备类型设备类型DCT通道等待队列首通道等待队列首控制器等待队列尾控制器等待队列尾通道忙闲标记通道忙闲标记通道标识通道标识CHCTCHCT指针指针控制器等待队列首控制器等待队列首控制器等待队列尾控制器等待队列尾控制忙闲标记控制忙闲标记控制器标识控制器标识COCT图图 9.12 数据结构表数据结构表二、设备分配的原则和策略二、设备分配的原则和策略1、原则、原则 根据设备特性、用户要求和系统配置决根据设备特性、用户要求和系统配置决定。定。A、充分发挥设备使用效率、充分发挥设备使用效率B、不能造成死锁、不能造成死锁C、用户程序和设备相隔离即设备独立性、用户程序和设备相隔离即设备独立性2、策略、策略A、先请求先分配、先请求先分配B、优先级高者先分配、优先级高者先分配图图 9.13 设备分配流程图设备分配流程图该设备分配给进程该设备分配给进程P安全吗安全吗?否否是是进程进程P来的来的I/O请求请求按分配策略选取按分配策略选取占据该设备的进程占据该设备的进程检查该设备分配给检查该设备分配给进程进程P的安全性的安全性搜索搜索SDT找到找到DCT指针指针查查DCT该设备忙该设备忙?进程进程P被选中被选中?搜索搜索DCT，找到，找到COCT指针指针控制器忙吗控制器忙吗?否否A是是是是否否是是否否进程进程P按分配策略按分配策略入入I/O等待队列等待队列进程进程P按分配策略按分配策略入入I/O等待队列等待队列进程进程P等待控制器等待控制器A分配控制器给进程分配控制器给进程P搜索搜索COCT，找到找到CHCT指针指针CHCT忙忙?是是进程进程P等待通道等待通道否否分配通道给进程分配通道给进程P启动启动I/O9.6 I/O进程控制进程控制一、什么是一、什么是I/O进程控制进程控制 从用户进程的输入输出请求开始，从用户进程的输入输出请求开始，给用户进程分配设备和启动相关设备，给用户进程分配设备和启动相关设备，进行进行I/O操作，以及在操作，以及在I/O操作完成以操作完成以后响应中断，进行善后处理为止的整后响应中断，进行善后处理为止的整个系统控制过程称为个系统控制过程称为I/O控制。控制。二、二、I/O控制的功能控制的功能外设中断请求外设中断请求用户进程用户进程I/O请求请求中断原因分析中断原因分析唤醒唤醒中断处理程序中断处理程序I/O请求处理请求处理设备分配程序设备分配程序缓冲区管理缓冲区管理中断响应中断响应启动启动I/O指令指令设备驱动程序或通道程序设备驱动程序或通道程序I/O控制控制图图 9.14 I/O控制的功能控制的功能三、三、I/O控制的实现控制的实现1、作为请求、作为请求I/O操作的进程的一部分实现操作的进程的一部分实现2、作为当前进程的一部分实现、作为当前进程的一部分实现3、由专门的、由专门的I/O进程完成进程完成A、每类、每类(个个)设备设一专门的设备设一专门的I/O进程，并进程，并放在系统态下执行放在系统态下执行B、整个系统设一、整个系统设一I/O进程，全面负责全系进程，全面负责全系统的数据传送工作统的数据传送工作C、每类、每类(个个)设备设一专门的设备设一专门的I/O进程，但进程，但该进程既可在用户态也可在系统态下执行。该进程既可在用户态也可在系统态下执行。9.7 设备驱动程序设备驱动程序一、什么是设备驱动程序一、什么是设备驱动程序设备驱动程序，是驱动物理设备和设备驱动程序，是驱动物理设备和DMA控控制器或制器或I/O控制器等直接进行控制器等直接进行I/O操作的子操作的子程序的集合。负责设置设备有关寄存器的程序的集合。负责设置设备有关寄存器的值，启动设备进行值，启动设备进行I/O操作，指定操作的操作，指定操作的类型和数据流向等。类型和数据流向等。二、为何要有设备驱动程序二、为何要有设备驱动程序设备驱动程序屏蔽了直接对硬件操作的细设备驱动程序屏蔽了直接对硬件操作的细节，为编程者提供操纵设备的友好接口。节，为编程者提供操纵设备的友好接口。三、用户怎样使用驱动程序三、用户怎样使用驱动程序 用户进程通过调用设备驱动程序提供的用户进程通过调用设备驱动程序提供的接口来使用设备驱动程序。接口来使用设备驱动程序。