操作系统设备管理知识点介绍.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第6章 设备管理,主要内容：,I/O硬件概念，设备控制器，I/O控制方式，缓冲技术，设备的使用方法，I/O层次结构，磁盘管理重点：,I/O控制方式，缓冲区的种类，设备分配难点：,磁盘调度策略1,6.1 I/O硬件概念,6.1.1 常见I/O设备的分类,人-机交互设备(,字节设备,发送接收以字节方式)；,存储类型设备(,块设备,读写以数据块方式）；,网络通信的设备,(网络接口，调制解调器)I/O,设备的特点：,数据传输速率不同；,数据传输单位不同；,控制的复杂性不同；,设备的使用目的不同2,6.1.2 设备控制器（I/O部件）,I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件电子部件被称做I/O部件或设备控制器（当控制多设备时：又叫总线控制器，通道控制器）操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身早期CPU是直接控制外部设备的，在引入I/O部件之后，才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来3,PCI总线,控制器,处理机,（CPU）,主存,显卡,SCSI,控制器,外设,控制器,控制器,控制器,连接CPU、主存、设备控制器和I/O设备模型,磁带,磁盘,外设,SCSI总线,主板总线,设备控制器的功能：,1、接收和识别来自CPU的各种命令;,2、实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间的数据交换;,3、记录设备的状态供CPU查询;,4、识别控制器的每个设备的地址;,4,控制器的任务是在外部设备与CPU（内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转换,。

磁盘 控制器,主存,比特流,字节块,转换、校验,CRT 控制器,主存,显示信号,字节流,转换,5,每个控制器都有一些用来与CPU通信的I/O寄存器操作系统通过向这些寄存器写命令字来执行I/O功能键盘,060-063,硬盘,320 32F,打印机,378 37F,软盘,3F0 3F7,彩色显示器,3D0 3DF,IBM PC的I/O地址,内存,0,k,n,控制器寄存器,6,6.1.3 I/O控制方式,（1）程序直接控制方式,CPU直接控制I/O操作的全过程，包括测试设备状态、发送读写命令、传输数据处理机指令集应包括下述指令：,控制类,测试类,读写类I/O示例,:,从外存读数据块到内存,(见下一页),7,向I/O部件发读命令,读I/O部件状态寄存器,从I/O部件读字数据,将该字写入内存,未OK,OK,出错,OK,下一,指令,未OK,检查状态,该块读完?,8,（2）中断控制方式,优点：,CPU不必反复测试，节约了时间缺点：,仍然消耗大量的CPU时间,9,（3）DMA方式,DMA方式,的,的思想：DMA（直,接,接内存存取,）,）负责完成,整,整个I/O,操,操作，无需,再,再经CPU,寄,寄存器转发,，,，并在全部,传,传输结束后,向,向CPU发,中,中断信号。

给DMA的,命,命令中应包,括,括：,操作类别,I/O设备,的,的地址,读写数据在,内,内存中的首,地,地址,字数向DMA部,件,件发读命令,读取DMA,部,部件状态,中断,中断后续处,理,理,注意：DMA的功,能,能可以以独,立,立的DMA,部,部件在系统I/O总线,上,上完成，也,可,可整合到I/O部件中,完,完成缺点：DMA部件,需,需与CPU,竞,竞争控制总,线,线10,CPU直接,控,控制外部设,备,备,引入I/O,部,部件，CPU直接控制I/O部件,引入中断驱,动,动方式,引入DMA,I/O通道,或,或I/O处,理,理机,输入/输出,控,控制方式的,发,发展过程,11,6.2,设,设备输入/,输,输出子系统,6.2.1,设,设备的,使,使用方法,一、设备相,关,关系统调用,1.申请设,备,备有参数,说,说明要申请,的,的设备名称,，,，操作系统,处,处理该系统,调,调用时，会,按,按照设备特,性,性（独占还,是,是分时共享,）,）及设备的,占,占用情况来,分,分配设备，,返,返回申请是,否,否成功标志,2.将数据,写,写入设备3.从设备,读,读取数据4.释放设,备,备这是申,请,请设备的逆,操,操作。

说明：,主要用于对,人,人-机交互,类,类慢速外设,的,的使用对于存储类,外,外设，用户,程,程序一般通,过,过文件的访,问,问12,在UNIX,中,中，可以用,如,如下的系统,调,调用将数据,直,直接写入软,盘,盘中：,fd=open(“/dev/fd0”,O,RDRW)；申请软,盘,盘，/dev/fd0代表,软,软盘lseek(fd,1024,0)；将软盘,当,当前I/O,位,位置定位到1024字,节,节位置Write(fd,buffer,36)；,将,将用户缓冲,区,区buffer中的36个字节写,入,入软盘10241059字节close(fd),；,；释放软盘,13,二、独占式,使,使用设备,如打印机,申请,空闲吗？,独占使用,等待,释放,14,三、分时式,共,共享使用设,备,备,独占式使用,设,设备时，设,备,备利用率很,低,低分时式共享,：,：以一次I/O为单位分,时,时使用设备,，,，不同进程,的,的I/O操,作,作请求以排,队,队方式分时,地,地占用设备,进,进行I/O,注：针对,一,一个,逻,逻辑,上,上完,整,整的,数,数据,的,的I/O,操,操作,如：终端,设,设备,，,，磁,盘,盘设,备,备。

15,请求设备,请求I/O,释放设备,P,1,请求设备,请求I/O,释放设备,P,2,请求,请求,设备,图6.6,排,排,队,队使,用,用设,备,备,16,产生,的,的条,件,件：,I/O中,断,断；,通,通道,；,；磁,盘,盘SPOOLing,（,（并,发,发的,外,外部,设,设备,联,联机,操,操作,）,）,的基,本,本思,想,想,：用磁,盘,盘设,备,备作,为,为主,机,机的,直,直接,输,输入/输,出,出设,备,备,即,即主,机,机从,磁,磁盘,选,选取,作,作业,并,并运,行,行,结,结果,也,也存,在,在磁,盘,盘中,相,应,应的,通,通道,则,则负,责,责磁,盘,盘与,慢,慢速,外,外设,的,的传,输,输利,利用,通,通道,和,和中,断,断机,制,制,作,作业,的,的输,入,入/,输,输出,与,与作,业,业在,处,处理,机,机上,的,的运,行,行可,很,很好,地,地并,行,行起,来,来四、,以,以SPOOLing方,式,式使,用,用外,设,设,17,通道,主机,通道,通道,卡片,机,机,打印,机,机,SPOOLing,系统,图,图示,磁盘,18,例如:所有,输,输出,数,数据,已,已经,写,写到,文,文件,当,当中,，,，并,排,排到,打,打印,输,输出,队,队列,，,，打,印,印进,程,程申,请,请占,用,用打,印,印机,后,后，,成,成批,读,读出,文,文件,中,中数,据,据，,并,并送,打,打印,机,机打,印,印出,去,去。

打印请求队列（含要打印文件）,打印daemon 进程,打印机,19,6.2.2I/O,层,层次,结,结构,通常,，,，操,作,作系,统,统将,设,设备,管,管理,系,系统,划,划分,并,并组,织,织成,三,三个,层,层次,：,：,用户,层,层I/O,；,；,设备,无,无关,的,的I/O,；,；,设备,驱,驱动,及,及中,断,断处,理,理；,用户层I/O,设备驱动及中断处理,硬件,系统调用接口，设备无关的操作系统软件,20,用户,进,进程,用户,层,层I/O,设备,无,无关,的,的I/O,设备,驱,驱动,及,及中,断,断处,理,理,硬件,设备,管,管理,子,子系,统,统,逻辑,结,结构,图,图,21,一、,用,用户,层,层I/O,与设,备,备的,控,控制,细,细节,无,无关,将所,有,有的,设,设备,看,看做,逻,逻辑,资,资源,，,，为,用,用户,进,进程,提,提供,各,各类I/O函,数,数用,用户,以,以设,备,备标,识,识符,和,和一,些,些简,单,单的,函,函数,来,来使,用,用设,备,备，,如,如打,开,开、,关,关闭,、,、读,、,、写,等,等如C,库,库中,的,的函,数,数fopen()，fread(),，,，fwrite()，fclose()等,。

22,二、,设,设备,无,无关,的,的I/O,基本,功,功能,：,：执行,适,适用,于,于所,有,有设,备,备的,公,公共I/O功,能,能，,并,并向,其,其上,层,层提,供,供统,一,一的,系,系统,调,调用,接,接口,任务,包,包括,：,：,1.,设,设备,名,名及,与,与设,备,备驱,动,动程,序,序的,映,映射,在UNIX,中,中，,如,如/dev/tty00惟,一,一地,确,确定,了,了一,个,个i-node数,据,据结,构,构，,其,其中,包,包含,了,了主,设,设备,号,号，,通,通过,主,主设,备,备号,可,可以,找,找到,相,相应,的,的设,备,备驱,动,动程,序,序2.,设,设备,保,保护:许,可,可权,限,限保,护,护3.,缓,缓冲I/O：,块,块设,备,备,、,字符,设,设备,4,.,错误,报,报告,：,：报,告,告驱,动,动程,序,序产,生,生的,错,错误,信,信息,5.,分,分配,及,及释,放,放独,占,占型,设,设备,：,：申,请,请、,关,关闭,23,三、,设,设备,驱,驱动,与,与中,断,断处,理,理,1.,设,设备,驱,驱动,程,程序,包括,了,了所,有,有与,设,设备,相,相关,的,的代,码,码，,其,其功,能,能是,从,从与,设,设备,无,无关,的,的软,件,件中,接,接收I/O的,请,请求,，,，排,入,入请,求,求队,列,列或,执,执行,之,之；,执,执行,时,时，,将,将请,求,求转,化,化为,更,更具,体,体的,形,形式,。

2.,中,中断,处,处理,当进,程,程进,行,行I/O,操,操作,时,时，,将,将其,阻,阻塞,至,至I/O,操,操作,结,结束,并,并发,生,生中,断,断中,中断,发,发生,时,时，,由,由中,断,断处,理,理程,序,序启,动,动请,求,求排,队,队的,下,下一,请,请求,并,并解,除,除等I/O进,程,程的,阻,阻塞,状,状态,，,，使,其,其能,够,够继,续,续执,行,行24,6.2.3,设,设备,驱,驱动,程,程序,一,设,设备,驱,驱动,程,程序,接,接口,函,函数,驱动,程,程序,初,初始,化,化函,数,数：做,一,一些,针,针对,驱,驱动,程,程序,本,本身,的,的初,始,始化,工,工作,，,，如,向,向操,作,作系,统,统登,记,记该,驱,驱动,程,程序,的,的接,口,口函,数,数，,该,该初,始,始化,函,函数,在,在系,统,统启,动,动时,或,或驱,动,动程,序,序安,装,装入,内,内核,时,时执,行,行驱动,程,程序,卸,卸载,函,函数：在,支,支持,驱,驱动,程,程序,可,可动,态,态加,载,载卸,载,载的,系,系统,中,中才,需,需要,申请,设,设备,函,函数：申,请,请一,个,个驱,动,动程,序,序所,管,管理,的,的设,备,备，,按,按照,设,设备,特,特性,进,进行,独,独占,式,式占,用,用或,者,者分,时,时共,享,享式,占,占用,。

释放设备,函,函数,IO操,作,作函数：实现对,设,设备的I,O对,独,独占型设,备,备：包含,了,了启动I,O的指,令,令；分时,共,共享型设,备,备：将I,O请求,形,形成一个,请,请求包，,将,将其排到,设,设备请求,队,队列中断处理,函,函数：在设备IO完,成,成时向CPU发中,断,断，然后,被,被调用该,该函数对。