计算机操作系统教程 第9章 设备管理.pdf
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1、学出版社第9章设备管理9.1引言92数据传送控制方式9.3 中断技术9.4 缓冲技术9.5 设备分配9.6 I/O进程控制97设备驱动程序本章小结习题高华大学出版社.1111设备管理是操作系统的重要组成部分之一。本章主 要讨论设备管理的基本概念,包括中断、缓冲、设 备分配和控制等。9.1 引言9.1.1 设备的类别外部设备:它包括常用的输入输出设备、外存设备以及终 端设备等。外部设备多样化、复杂化和智能化。除了硬件 设备之外,以某种硬件设备为基础的虚拟设备和仿 真设备技术也得到了广泛应用。例如,虚终端技术 和仿真终端技术等。实际上,近年来最为流行的窗 口系统中的X-WINDOW等都是作为一种设
2、备和操 作系统相连的。这使得设备管理变得越来越复杂化。设备的分类按设备的使用特性分:可分为存储设备、输入输出设备、终端设 备以及脱机设备清监LF磁带 _卜黑”软盘硬盘其他(磁鼓,光盘等)一输入/输出设备一外部设备一键盘一打印机一显示器一图形输入/输出设备图像输入/输出设备 一绘图机一音声输入/输出设备 一网络通信板其他I-会话型I通用终端批处理型 终端设备-1-智能终端专用终端 1虚终端脱机设备图81按使川特性对外部设备的分类高华大学出版社-3 幅国.11H系统设备和用户设备系统设备:是指那些在操作系统生成时就已配置好的各种标准设备。例如,键盘、打印机以及文件存储设备等用户设备:是那些在系统生
3、成时没有配置,而由用户自己安装配置 后由操作系统统一管理的设备。例如,网络系统中的各种 网板、实时系统中的A/D、D/A变换器、图像处理系统的图 像设备等。由于设备管理程序是和硬件打交道的,因此,不同的 设备硬件对应于不同的管理程序。不过,对于同类设备来 说,由于设备的硬件特性十分相似,从而可以利用相同的 管理程序或只需做很少的修改即可。周与会:学圉制照t 癫爆胡按信息组织方式设备例如,UNIX系统就把外部设备画分为字符设备 和块设备。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字符设备;而磁盘、磁带等以字符块为单位组织和处理 信息的设备被称为块设备。信单弓二学出版社 歌赫/氟
4、厢酶糠阴龈MHHH9.1.2 设备管理的功能和彳壬务”也修喀设备管理是对计算机输入输出系统的管理,是 操作系统中最具多样性和复杂性的部分。其主要任 务是:(1)选择和分配输入输出设备以进行数据传输操作;(2)控制输入输出设备和CPU(或内存)之间交换数 据;(3)为用户提供友好的透明接口,把用户和设备硬件 特性分开,使得用户在编制应用程序时不必涉及具 体设备,系统按用户要求控制设备工作。另外,这 个接口还为新增加的用户设备提供一个和系统核心 相连接的入口,以便用户开发新的设备管理程序;(4)提高设备和设备之间、CPU和设备之间,以及进 程和进程之间的并行操作度,以使操作系统获得最高华大学出版社
5、-S 题施.1111为了完成上述主要任务,设备管理程序一般要提供 下述功能:(1)提供和进程管理系统的接口。(2)进行设备分配。(3)实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。这需要有相应的硬件支持。除了装有控制状态寄存 器、数据缓冲寄存器等的控制器之外,对应于不同 的输入输出(I/O)控制方式,还需要有DMA通道等 硬件。从而,在设备分配程序根据进程要求分配了 设备、控制器和通道(或DMA)等硬件之后,通 道(或DMA)将自动完成设备和内存之间的数据 传送工作,从而完成并行操作的任务。在没有通道(或DMA)的系统里,则由设备管理程序利用中 断技术来完成上述并行操作;(4)进行缓冲区管理。
6、为了减少外部设备和内存与 CPU之间的数据速度不匹配的问题,系统中一般设 有缓冲区(器)来暂放数据。设备管理程序负责进 行缓冲区分配、释放及有关的管理工作。介绍:各种输入输出的控制方式缓冲区管理、中断、陷入以及软中断等基本概念。设备分配原则及有关分配算法I/O进程的概念及设备驱动过程与小匕一1 m出上;i 9.2 一薮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CPU 之间的数据传送。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 丢失数据;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I/O设备尽量忙,而CPU等待时间少。
7、为了控制I/O设备和内存之间 的数据交换,每台外围设备都按一定规律编码。而 且,设备和内存与CPU之间有相应的硬件接口支持 同步控制、设备选择以及中断控制。外围设备和内存之间的常用数据传送控制方式有4种o即:(1)程序直接控制方式;(2)中断控制方式;(3)DMA方式;(4)通道方式。9.2.1 程序直接控制方式就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围 设备之间的信息传送。这种方式的控制者是用户进程。当用户进程需 要数据时,它通过CPU发出启动设备准备数据的启 动命令Start”,然后,用户进程进入测试等待状 态。在等待时间内,CPU不断地用一条测试指令检 查描述外围设备的工作状态的控制状态
8、寄存器。而 外围设备只有将数据传送的准备工作作好之后,才 将该寄存器置为完成状态。从而,当CPU检测到控 制状态寄存器为完成状态,也就是该寄存器发出“Done”信号之后,设备开始往内存或CPU传送数 据。反之,当用户进程需要向设备输出数据时,也 必须同样发启动命令启动设备和等待设备准备好之高华大学出版社 HOB嬲 III11除了控制状态寄存器之外,在I/O控制器中还有一类 称为数据缓冲寄存器的寄存器。在CPU与外围设备 之间传送数据时,输入设备每进行一次操作,首先 把所输入的数据送入该寄存器,然后,CPU再把其 中数据取走。反之,当CPU输出数据时,也是先把 数据输出到该寄存器之后,再由输出设
9、备将其取走。只有数据装入该寄存器之后,控制状态寄存器的值 才会发生变化。程序直接控制方式的控制流程如图 8.2 o涓华外围设备CPU(b)(a)图8.2程序直接控制方式程序直接控制方式虽然控制简单,也不需要多少硬 件支持,但是,明显地存在下述缺点:CPU和外围设备只能串行工作。CPU在一段时间内只能和一台外围设备交换数据 信息,从而不能实现设备之间的并行工作;(3)由于程序直接控制方式依靠测试设备标志触发器 的状态位来控制数据传送,因此无法发现和处理 由于设备或其他硬件所产生的错误。所认,程序 直接控制方式只适用于那些CPU执行速度较慢,而且外围设备较少的系统。清华大学阳艇社 演的眦的方次HH
10、MMH9.2.2 中断方式为了减少程序直接控制方式中CPU等待时间以及提 高系统的并行工作程度,中断(interrupt)方式被用 来控制外围设备和内存与CPU之间的数据传送。这 种方式要求CPU与设备(或控制器)之间有相应的中 断请求线,而且在设备控制器的控制状态寄存器的 相应的中断允许位。中断方式的传送结构如图8.3 所示。Int:信号线图8.3中断控制方式的传送结构高华大学出版社.III 从而,数据的输入可按如下步骤操作。(1)首先,进程需要数据时,通过CPU发出“Start指令启动 外围设备准备数据。该指令同时还将控制状态寄存器中的 中断允许位打开,以便在需要时,中断程序可以被调用执
11、行。(2)在进程发出指令启动设备之后,该进程放弃处理机,等待 输入完成。从而,进程调度程序调度其他就绪进程占据处 理机。(3)当输入完成时,I/O控制器通过中断请求线向CPU发出中 断信号。CPU在接收到中断信号之后,转向预先设计好的 中断处理程序对数据传送工作进行相应的处理。(4)在以后的某个时刻,进程调度程序选中提出请求并得到了 数据的进程,该进程从约定的内存特定单元中取出数据继 续工作。设备CPU图8.4中断控制方式的处理过程 尽管中断方式CPU的利用率大大提高且能支持多道 程序和设备的并行操作,但仍然存在着许多问题 首先,由于在I/O控制器的数据缓冲寄存器装满数据 之后将会发生中断,而
12、且数据缓冲寄存通常较小,因此,在一次数据传送过程中,发生中断次数较多。这将耗去大量的CPU处理时间。另外,现代计算机系统通常配置有各种各样的外围 设备。如果这些设备通过中断处理方式进行并行操 作,则由于中断次数的急剧增加而造成CPU无法响 应中断和出现数据丢失现象。另外,在中断控制方式时,我们都是假定外围设备 的速度非常低,而CPU处理速度非常高。如果外围 设备的速度也非常高,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。)育工户/一-户 mi 川;,工,:J f/r f,:rr;S门*:TfFr v*/Z rr*;7 v f/,r”*r?-:+/,9.2.3 DMA方式(直接存
13、取方式)基本思想:在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通 路。在DMA方式中,I/O控制器具有比中断方式和 程序直接控制方式时更强的功能。除了控制状态寄 存器和数据缓冲寄存器之外,DMA控制器中还包 括传送字节计数器、内存地址寄存器等。这是因为 DMA方式窃取或挪用CPU的一个工作周期把数据 缓冲寄存器中的数据直接送到内存地址寄存器所指 向的内存区域。DMA方式除了在数据块传送开始时需要CPU 的启动指令和在整个数据块传送结束时需发中断通 知CPU进行中断处理之外,不再像中断控制方式时 那样需要CPU的频繁干涉。DMA存取方式的结构 如图8.5所示。淆f公二学出茂社I/O设备T-夕,数据 一
14、DMA控制器-内存断仪启位(I-11J控制状态寄存器数据缓冲寄存器 传送字节数计数器 内存地址寄存器图8.5 DMA方式的传送结构/J I/n”jDMA方式的数据输入处理过程如下:(1)当进程要求设备输入数据时,CPU把准备存放输 入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入 DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数 器;另外,还把控制状态寄存器中的中断允许位和 启动位置1;从而启动设备开始进行数据输入。高华大学出版社-S 题施.1111(2)发出数据要求的进程进入等待状态,进程调度程 序调度其他进程占据CPU。(3)输入设备不断地挪用CPU工作周期,将数据缓冲 寄存器中的数据源源不断地写入
15、内存,直到所要求 的字节全部传送完毕。(4)DMA控制器在传送字节数完成时通过中断请求线 发出中断信号,CPU在接收到中断信号后转中断处 理程序进行善后处理。(5)中断处理结束时,CPU返回被中断进程处执行或 被调度到新的进程上下文环境中执行。DMA方式的处理过程如图8.6所示o设备 CPU图8.6 DMA方式的数据传送处理过程DMA方式与中断方式的一个主要区别是:中断方式时是在数据缓冲寄存器满之后发中断 要求CPU进行中断处理。DMA方式则是在所要求转送的数据块全部传送 结束时要求CPU进行中断处理。DMA就大大减少了 CPU进行中断处理的次数另一个主要区别:中断方式的数据传送是在中断处理时
16、由CPU控 制完成的。DMA方式是在DMA控制器的控制下不经过CPU 控制完成的。这就排除了因并行操作设备过多时CPU来不及 处理或因速度不匹配而造成数据丢失等现象。DMA方式仍存在着一定的局限性:首先,DMA方式对外围设备的管理和某些操作 仍由CPU控制。多个DMA控制器的同时使用显然会引起内存地 址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。同时,多个DMA控制器的同时使用也是不经济的o 因此,在大中型计算机系统中(近年来甚至在那些 要求I/O能力强的微机系统中),除了设置DMA器 件之外,还设置专门的硬件装置通道。清华大学出版苞:蒲9.2.4通道控制方式通道控制(channel control)方
17、式与DMA方式相类似,也 是一种以内存为中心,实现设备和内存直接交换数据的控 制方式。与DMA方式不同的是:在DMA方式中,数据的传送方向、存放数据的内存始 址以及传送的数据块长度等都由CPU控制,而在通道方式 中,这些都由专管输入输出的硬件通道来进行控制。另外,与DMA方式时每台设备至少一个DMA控制器相 比,通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与内存 进行数据交换,从而,通道方式进一步减轻了CPU的工作 负担和增加了计算机系统的并行工作程度。高华大学出版社-8.Uli通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的 处理机,它控制设备与内存直接进行数据交换。它 有自己的通道指令,这些通道指令
18、受CPU启动,并 在操作结束时向CPU发中断信号。在通道控制方式中,I/O控制器中没有传送字 节计数器和内存地址寄存器;但多了通道设备控制 器和指令执行机构。在通道方式下,CPU只需发出 启动指令,指出通道相应的操作和I/O设备,该指 令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通 道指令执行。高华大学出版社-S题施.Uli通道指令一般包含有被交换数据在内存中应占据的 位置、传送方向、数据块长度以及被控制的I/O设 备的地址信息、特征信息等,通道指令在通道中没 有存储部件时存放在内存中。通道指令的格式一般由操作码、读、写或控制、计 数段(数据块长度)以及内存地址段和结束标志等组 成。通道指令在进
19、程要求数据时由系统自动生成。例如:write 0 0 250 1850 write 1 1 250 720是两条把一个记录的500个字符分别写入从内存地址 1850开始的250个单元和从内存地址720开始的250 个单元中。其中假定write操作码后的“1”是通道 指令结束标志,而另一个“1”则是记录结束标志。该指令中省略了设备号和设备特征。匕一一二v.子口川/T!另外,一个通道可以以分时方式同时执行几个通道 指令程序。按照信息交换方式不同,一个系统中可设立三种类 型的通道:即字节多路通道、数组多路通道和选择通道。it n IT清华尤学出版苞 就电嬲式tjf耘ggHMM字节多路通道以字节为单位
20、传送数据,它主要用来 连接大量的低速设备,如终端、打印机等。数组多路通道以块为单位传送数据,它具有传送速 率高和能分时操作不同的设备等优点。数组多路通道主要用来连接中速块设备,如磁带机 等选择通道一次只能执行一个通道指令程序。所以,选择通道一次只能控制一台设备进行I/O操作。并 以块为单位成批传送数据。受选择通道控制的外设 有磁盘机等数组多路通道和字节多路通道都可以分时执行不同 的通道指令程序。选择通道具有传送速度高的特点,因而它被用来连 接高速外部设备。通道控制方式的数据输入处理过程可描述如下:当进程要求设备输入数据时,CPU发Start指令指 明I/O操作、设备号和对应通道。对应通道接收到
21、CPU发来的启动指令Start之后,把存放在内存中的通道指令程序读出,设置对应设 备的I/O控制器中的控制状态寄存器。清华二醇蜀航羽,5sBMMMH(3)设备根据通道指令的要求,把数据送往内存中指 定区域。(4)若数据传送结束,I/O控制器通过中断请求线发中 断信号请求CPU做中断处理。第5步与DMA方式时相同,即中断处理结束后CPU返 回被中断进程处继续执行。在(1)中要求数据的进程只有在调度程序选中它之后,才能对所得到的数据进行加工处理。另外,在许多情况下,人们可从CPU执行的角度描 述中断控制方式、DMA方式或通道控制方式的控 制处理过程。作为一个例子,这里给出通道控制方 式的描述过程。
22、Channel control procedure:repeatIR-M pcpc pc+1execute(IR)if require accessing with I/O Devicethen Command(I/0 operation,Address of I/O device5channel)fiif I/O Done Interrupt then Call Interrupt processing control fi until machine haltInterrupt processing control procedure 其中IR代表指令寄存器,pc代表程序计数器,而fi则
23、表示if.then条件语句的结束。关于interrupt processing control部分,在下面的章节中将进一步讨 论。清华大学别版社 J 1ggi解J a-J J J K J:.J,/,;yf,.匚二三):,/F 1-:-3 ,从上节可以看出,除了程序直接控制方式之外,无 论是中断控制方式、DMA方式还是通道控制方式,都需在设备和CPU之间进行通信,由设备向CPU发 中断信号之后,CPU接收相应的中断信号进行处理。这几种方式的区别:只是中断处理的次数、数据传送方式以及控制 指令的执行方式等。在计算机系统中,除了上述I/O中断之外,还 存在着许多其他的突发事件,例如电源掉电、程序 出
24、错等,这些也会发出中断信号通知CPU做相应的 处理。本节进一步讨论中断问题。j*jJ/-tj 犬!,二y j RjJ!,1FI.-中断(Interrupt)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的急需处理事件,使得CPU暂时 中断当前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中断源。中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求而CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序称为中断 响应。清华文学出版社,漆/IW舞嗣界占J.二J,1 i .J 9、/J、.jr j,.,Ji J jr,*
25、w 二)三在有些情况下,尽管产生了中断源和发出了中断请求,但CPU内部的处理机状态字PSW的中断允许位已被清除,从而不允许CPU响应中断。这种情况称为禁止中断。CPU禁止中断后只有等到PSW的中断允许位被重新设置后才 能接收中断。禁止中断也称为关中断,PSW的中断允许位 的设置也被称为开中断。中断请求、关中断、开中断等都由硬件实现。开中断和关中断是为了保证某些程序执行的原子性。除了禁止中断的概念之外,还有一个比较常用的概念是 中断屏蔽。中断屏蔽是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分的中断仍能得到响应。谓华大学出振苞=觑嬲11I II中断屏蔽是通过每一类中断源
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