操作系统原理与实践 邹鹏 第四章 设备管理.ppt

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1、第四章设备管理第四章设备管理目的与要求：掌握I/O控制的硬件基础和基本原理、设备的管理和使用方法。理解设备管理子系统的层次，功能及技术、了解磁盘设备。重点与难点：三种不同的I/O控制方式；三种不同的设备使用方法。I/O软件层次结构；设备驱动程序；缓冲技术；磁盘调度方法；盘阵选择作业：2，5，9，10，14第四章设备管理4.1I/O硬件4.2I/O软件4.3存储设备4.1I/O硬件4.1.1I/O总线4.1.2设备控制器4.1.3直接存储器访问控制器4.1.4I/O通道4.1.5I/O设备4.1.6I/O控制方式4.1.1I/O总线第一章所讲的总线的基本内

2、容。PCI总线及其配置空间4.1.2设备控制器I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称作I/O部件或设备控制器。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，I/O指令功能加强，才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。总线控制器处理机主存显卡外设光盘磁盘SCSI总线控制器外设控制器控制器控制器PCI外设总线4.1.2设备控制器各部件的连接模型控制器的任务是在外部设备与内存（或CPU）之间完成比特流（或外部信号）和字节块（流）之间的转换。磁盘控制器主存比特流字节块转换、校验字符显示控

3、制器主存经CPU显示信号字节流转换4.1.2设备控制器每个控制器都有一些用来与CPU通讯的I/O寄存器。操作系统通过向这些寄存器写命令字来实现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3D0–3DFIBMPC的I/O地址4.1.2设备控制器早期的程序直接控制方式需要CPU直接控制I/O操作的全过程，包括发送读写命令、传输数据、测试设备状态。因此，处理机指令集应包括控制类、测试类、读写类I/O指令。I/O部件接收到相应的指令后，将I/O状态寄存器的相应位置上。随着操作的执行更改状态位，由CPU执行相应指

4、令读取I/O完成状态。I/O数据通过CPU寄存器转发。4.1.3直接存储器访问控制器向I/O部件发读指令读I/O部件状态寄存器检查状态从I/O部件读字数据将该字写入内存未OKOK出错该块读完？OK下一指令未OK4.1.3直接存储器访问控制器CPU向I/O部件发出指令后，转去做其他有用的工作。当I/O部件准备好数据后，利用中断通知CPU，再由CPU完成数据传输。CPU不必反复测试寄存器状态，节约了时间。但总体看来，中断控制方式仍然消耗大量的CPU时间，因为每个字的数据传输都必须经过CPU寄存器转发。4.1.3直接存储器访问控制器针对程序直接方式的不足，提出

5、了中断方式。前两种方式的缺陷：I/O的传输速率受CPU测试或中断响应的速度限制CPU为管理I/O耗费大量时间。DMA（直接内存存取）负责完成整个I/O操作，无需再经CPU寄存器转发，并在全部传输结束后向CPU发中断信号。CPU向DMA部件发送I/O指令后，即可进行其他工作。给DMA的指令中应包括：操作类别、I/O设备的地址、读写数据在内存中的首地址、字数。4.1.3直接存储器访问控制器DMA的功能可以以独立的DMA部件在系统I/O总线上完成，也可整合到I/O部件中完成。读写内存时，DMA部件需要控制总线，CPU可能在涉及存储访问时因此而忙等待。4.1.3

6、直接存储器访问控制器CPUDRMARDCCRI/O控制逻辑计数内存..主机与控制器接口DMA控制器系统总线通道控制器有自己的专用存储器，可以执行由通道指令组成的通道程序。其优势在于执行一个通道程序可以完成几批I/O操作。4.1.4I/O通道通道程序是通道命令字的有序集合，通道命令字的基本形式为：命令码主存地址传输长度特征位CCW首地址外设内部地址中断控制传送由中断控制器发出中断信息，中止CPU现行程序，转去执行中断服务程序。通道方式则是通过执行通道程序来实现。4.1.4I/O通道中断服务程序与CPU的现行程序是串行工作的，而通道程序的执行与CPU的现行程

7、序是并行工作的。程序中断控制传送以CPU为中心，而通道则和DMA一样以内存为中心。DMA主要靠专用接口硬件实现数据传送；通道则靠执行通道程序实现数据传送。4.1.4I/O通道DMA一般用来控制高速外设成组传送，通道既可控制高速外设成组传送，也可控制低速外设进行字或字节交叉传送。按数据组织分类：块设备，字符设备。4.1.5I/O设备从资源分配角度分类：独占设备，共享设备，虚拟设备。按传输速率分类：低速设备，中速设备，高速设备。按其他方法分类：如按输入/输出对象进行，或者按是否可交互来进行。CPU直接控制外部设备引入I/O部件，CPU直接控制I/O部件引入中

8、断驱动方式引入DMAI/O通道或I/O处理机输入输出控制方式的发展过程4.1.6