操作系统原理7设备管理
63页1、第7章 外部设备管理,7.0 引言 7.1 I/O控制技术 7.2 缓冲技术 7.3 设备分配 7.4 设备控制 7.5 磁盘设备管理,外设的特点: 种类多 差异大(控制和速度) 外设管理目的包括: 外设资源的控制 外设资源的共享 提高外设资源的利用率。,7.0 引言,7.0.0 I/O设备管理的重要性 7.0.1 外部设备类型和特征 7.0.2 外设管理的目的和功能 7.0.3 外设管理结构,返回,7.0.0 I/O管理的重要性,I/O设备就像计算机系统的五官和四肢 I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 (1)CPU性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 (2)CPU性能越高,与I/O差距越大 弥补:更多的进程 (3)进程切换多,系统开销大 3. 操作系统庞大复杂的原因之一是:资源多、杂,并发,均来自I/O 4. 理解I/O的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键 5. I/O技术很实用 6. 与其他功能联系密切,特别是文件系统,7.0.1 外部设备类型和特征,人机交互设备:视频显示设备、键盘、鼠标、打印机 与计算机或其他电子设备交互的设备:磁盘、磁带、传感器、控制器
2、计算机间的通信设备:网卡、调制解调器,返回,1. 按交互对象分类,2. 按交互方向分类,输入(可读):键盘、扫描仪 输出(可写):显示设备、打印机 输入/输出(可读写):磁盘、网卡,3. 按外设特性分类,使用特征:存储、输入/输出、终端 数据传输率:低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘) 信息组织特征:单个字符或数据块 字符设备(如打印机):通常的输入输出型设备,以字符为单位存储、传输信息;不可寻址 块设备(如磁盘):以数据块为单位存储、传输信息。可寻址,4. 按资源分配角度分类,独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备,一般为低速I/O设备。如打印机,磁带等。 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备,多个进程以交叉的方式来使用设备,其资源利用率高。(如硬盘) 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备,常用共享设备模拟独占设备,用高速设备模拟低速设备,被模拟的设备称为虚设备.(实例:SPOOLing技术,利用虚设备技术用硬盘模拟输入输出设备),5.从程序使用角度分 逻辑设备: 用户程序中使用的设备 物理设备:实际完成I/O操作的设备,7.0.2 外设管理的目的
3、和功能,提高效率:提高I/O访问效率,匹配CPU和多种不同处理速度的外设 方便使用:方便用户使用,对不同类型的设备统一使用方法,协调对设备的并发使用 方便控制:方便OS内部对设备的控制:增加和删除设备,适应新的设备类型,返回,1. 外设管理目的,2. 外设管理功能,提供设备使用的用户接口:命令接口和编程接口 设备分配和释放:使用设备前,需要分配设备和相应的通道、控制器。 设备的访问和控制:包括并发访问和差错处理(虚拟设备)。 I/O缓冲和调度:目标是提高I/O访问效率,7.1 I/O控制技术(数据传送控制方式),返回,外围设备与内存或CPU间常用的数据传送控制方式: 程序直接控制方式 中断控制方式 DMA方式 通道方式,1. 程序控制I/O(programmed I/O),I/O操作由程序(用户)发起,并等待操作完成。数据的每次读写通过CPU。,等待,发Start指令,设备标志触发器为“Done”?,CPU,执行下一条指令 开始数据传送,否,是,外围设备,接收到Start指令,作接收或发送数据准备,准备好?,标志触发器置为“Done”,等待CPU来的下一条指令,是,否,特点,缺点: 在
4、外设进行数据处理时,CPU只能等待。 CPU与外设只能串行工作 只适用于CPU执行速度较慢,且外围设备较少的系统,2. 中断驱动方式,I/O操作由程序发起,在操作完成时(如数据可读或已经写入)由外设向CPU发出中断,通知该程序。数据的每次读写通过CPU。 优点:在外设进行数据处理时,CPU不必等待,可以继续其他程序。 缺点: CPU每次处理的数据量少(I/O控制器的数据缓冲寄存器通常不超过几个字节),在一次数据传送过程中,发生中断次数较多,将耗费大量CPU时间,只适于数据传输率较低的设备。 另外,多种设备并行发生中断,由于中断次数的急剧增加而造成CPU无法响应中断而出现数据丢失现象。 如果外设速度也很快的话,则可能造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU来不及取走而丢失。,中断控制方式的处理过程,接收到CPU发来的Start指令,缓冲寄存器满?,设备,控制器发中断信号,是,CPU,调度程序调度其它进程,收到中断信号了吗?,中断处理,被中断进程执行,是,否,准备数据并将其置入缓冲寄存器,否,向设备发Start指令, 置中断允许位为“1”,其它进程执行,3. 直接存储访问方式 (DMA, Dir
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