1、第第7章章 設備管理設備管理7.1 I/O 設備管理概述設備管理概述 I/O管理的基本任務管理的基本任務完成用戶提出的完成用戶提出的I/O請求請求提高提高I/O速率速率改善改善I/O設備的利用率設備的利用率7.1 I/O 設備管理概述設備管理概述 I/O管理的功能管理的功能監視設備的狀態監視設備的狀態進行設備分配進行設備分配完成完成I/O操作操作緩沖管理緩沖管理I/O硬件組成硬件組成l主機主機I/O系統系統l四級結四級結構構l微型機微型機I/O系統系統l單總線結單總線結構構圖形控制器橋/內存控制器SCSI磁盤控制器擴展總線接口 其它 控制器打印機磁盤PCI總線監視器處理器高速緩存內存磁盤IDE

2、磁盤控制器磁盤磁盤擴展總線并行端口串行端口鍵盤I/O設備設備設備的類型設備的類型按設備進行信息交換的單位分類：按設備進行信息交換的單位分類：塊設備塊設備如：磁盤、光盤如：磁盤、光盤 塊大小塊大小512B32KB。 特點：速度高、隨機訪問、特點：速度高、隨機訪問、I/O采用采用DMA方方式。式。字符設備字符設備如：鍵盤、打印機、網卡。如：鍵盤、打印機、網卡。 特點：速度低、不可尋址、特點：速度低、不可尋址、I/O采用中斷方采用中斷方式。式。I/O設備設備設備的類型設備的類型按共享屬性分類：按共享屬性分類： 獨占設備獨占設備 共享設備共享設備 虛擬設備虛擬設備設備控制器設備控制器設備控制器的組成設

3、備控制器的組成數據寄存器控制/狀態寄存器I/O邏輯控制器與設備接口1控制器與設備接口2數據線地址線控制線CPU與控制器接口數據狀態控制數據狀態控制控制器與設備接口l控制器的功能l數據交換數據寄存器l接收和識別CPU發來的命令控制寄存器l了解設備的狀態，報告給CPU狀態寄存器l地址識別地址譯碼器設備控制器的組成設備控制器的組成數據寄存器控制/狀態寄存器I/O邏輯控制器與設備接口1控制器與設備接口2數據線地址線控制線CPU與控制器接口數據狀態控制數據狀態控制控制器與設備接口l控制器與CPU之間接口用于控制設備與總線之間交換數據。l控制器與設備之間接口用于根據CPU發來的命令，控制設備的動作。lI/

4、O邏輯用于實現對設備的控制。將啟動命令發送給控制器；以及對收到的地址進行譯碼，再根據譯出的命令對設備進行控制。設備通道設備通道l通道通道 外設很多時，在外設很多時，在CPU與控制器之間與控制器之間增加通道，減輕增加通道，減輕CPU負擔。負擔。l增加通道的目的增加通道的目的建立獨立的建立獨立的I/O操作，使操作，使CPU從繁重從繁重的的I/O中解放出來中解放出來l通道的實質通道的實質 是特殊的處理機是特殊的處理機l指令類型單一指令類型單一l沒有內存沒有內存通道的類型通道的類型l字節多路通道字節多路通道l連接中、低速外設。如打印機、終端等。連接中、低速外設。如打印機、終端等。l以字節為傳送單位。以

5、字節為傳送單位。l傳送時，通道與多個外設交叉傳遞，當一個外設交換一傳送時，通道與多個外設交叉傳遞，當一個外設交換一個字節后，立即騰出，將通道讓給另一個設備使用。個字節后，立即騰出，將通道讓給另一個設備使用。主通道：A1B1C1A2B2C2控制器 A控制器 B控制器 C控制器 D控制器 N子通道A： A1A2A3子通道B： B1B2B3子通道C： C1C2C3子通道N： N1N2N3ABCDN設備通道的類型通道的類型l數組選擇通道數組選擇通道l連接磁盤等高速外設。連接磁盤等高速外設。l以塊為傳送單位。以塊為傳送單位。l連接多個外設，但一段時間只被一個設備獨占，直至釋放。連接多個外設，但一段時間只

6、被一個設備獨占，直至釋放。l數組多路通道數組多路通道l連接高速外設。如磁盤。連接高速外設。如磁盤。l綜合字節多路通道的并行綜合字節多路通道的并行“和數組選擇通道的高速和數組選擇通道的高速“的的優點。利用一臺設備讀寫定位的時間，再與另一外設交換優點。利用一臺設備讀寫定位的時間，再與另一外設交換信息。信息。l字節多路通道字節多路通道l連接中、低速外設。如打印機、終端等。連接中、低速外設。如打印機、終端等。l以字節為傳送單位。以字節為傳送單位。l傳送時，通道與多個外設交叉傳遞，當一個外設交換一傳送時，通道與多個外設交叉傳遞，當一個外設交換一個字節后，立即騰出，將通道讓給另一個設備使用。個字節后，立即

7、騰出，將通道讓給另一個設備使用。通道的連接方式通道的連接方式l單通路連接單通路連接lI/O繁忙時，繁忙時，通道成為瓶頸。通道成為瓶頸。l多通路連接多通路連接l設備與計算機設備與計算機之間增加多條之間增加多條通路通路l增強可靠性增強可靠性7.2 I/O控制方式控制方式l略略7.3 I/O系統系統lI/O系統層次結構系統層次結構設備分配考慮因素設備分配考慮因素l設備固有屬性設備固有屬性l獨享設備獨享設備l共享設備共享設備l虛擬設備虛擬設備l設備分配算法設備分配算法l先來先服務先來先服務l優先級高者優先優先級高者優先l設備分配中的安全性設備分配中的安全性l安全分配方式單請求方式）安全分配方式單請求方

8、式）l不安全分配方式不安全分配方式設備的獨立性設備的獨立性l設備獨立性也稱設備無關性）設備獨立性也稱設備無關性）l指用戶程序獨立于具體物理設備。指用戶程序獨立于具體物理設備。l設備獨立性的優點設備獨立性的優點l設備分配時的靈活性設備分配時的靈活性l易于實現易于實現I/O重定向重定向l設備獨立性的實現設備獨立性的實現邏輯設備表邏輯設備表l操作系統實現邏輯設備到物理設備的轉換。操作系統實現邏輯設備到物理設備的轉換。邏輯設備表邏輯設備表Logical Unit Table，LUT） 邏輯設備名 物理設備名 驅動程序入口地址/dev/print 3 2056/dev/tty 5 1034LUT的設置：

9、的設置：整個系統一張單用戶系統）整個系統一張單用戶系統）一個用戶一張多用戶系統）一個用戶一張多用戶系統）設備分配用數據結構設備分配用數據結構設備等待隊列尾指針設備類型設備標識COCT指針設備等待隊列首指針設備忙/閑標記設備控制表控制器等待隊列尾指針控制器標識CHCT指針控制器等待隊列首指針控制器忙/閑標記控制器控制表通道等待隊列尾指針通道標識通道等待隊列首指針通道忙/閑標記通道控制表DCT指針設備類型獲得設備的進程號設備標識系統設備表表項1表項i（a）（b）（c）（d）l系統設備表系統設備表SDTl （整個系統一張）（整個系統一張）l設備控制表設備控制表DCTl （每個設備一張）（每個設備一張

10、）l控制器控制表控制器控制表COCTl （每個控制器一張）（每個控制器一張）l通道控制表通道控制表CHCTl （每個通道一張）（每個通道一張）設備分配程序設備分配程序單通路情況下的單通路情況下的設備分配程序設備分配程序開始查SDT，找到DCTDCT.busy=1計算安全性安全嗎？由DCT找到COCTCOCT.busy=1由COCT找到CHCTCHCT.busy=1啟動I/O設備進行數據傳輸結束將進程阻塞在等待該通道的等待隊列上將進程阻塞在等待該控制器的等待隊列上將進程阻塞在等待該設備的等待隊列上將進程阻塞在等待該設備的等待隊列上是否是否是否否是SPOOLing技術技術Simultancous

11、Periphernal Operations On -Line輸入緩沖區輸出緩沖區輸入進程SPi輸出進程SPo輸入井輸出井磁盤內存輸入設備輸出設備SPOOLing的系統組成：的系統組成：輸入井和輸出井輸入井和輸出井輸入緩沖區和輸出緩沖區輸入緩沖區和輸出緩沖區輸入進程輸入進程SPi和輸出進程和輸出進程SPoSPOOLing技術技術SPOOLing特點：特點：提高提高I/O速度速度將獨占設備改造為共享設備將獨占設備改造為共享設備實現虛擬設備功能實現虛擬設備功能設備驅動程序設備驅動程序l設備驅動程序的功能：設備驅動程序的功能：l 接收來自上層的接收來自上層的I/O請求，并檢查請求的合法請求，并檢查請求的合法性。性。l 向有關向有關I/O設備的控制器中的控制設備的控制器中的控制/狀態寄存狀態寄存器發出控制命令，監督它們的正確執行，并進器發出控制命令，監督它們的正確執行，并進行必要的錯誤處理。行必要的錯誤處理。l 對等待各種設備、控制器和通道的進程進行排對等待各種設備、控制器和通道的進程進行排隊。隊。l 執行比寄存器級別更高的一些特殊處理，如代執行比寄存器級別更高的一些特殊處理，如代碼轉換、退出處理等。碼轉換、退出處理等。l 處理來自設備的中斷