操作系统--设备管理

迈不过友情╰ 2023-06-30 13:59 55阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  1、I/O设备的基本概念与分类
 *  2、I/O控制器
 *   *  2.1 主要功能
     *  2.2 控制器的组成
     *  2.3 两种寄存器编址方式
 *  3、I/O控制方式
 *  4、I/O软件层次结构
 *  5、I/O核心子系统的核心功能
 *   *  5.1 假脱机技术
     *  5.2 设备的分配与回收
     *   *  5.2.1 设备分配时需要考虑的因素
         *   *  （1）设备的固有属性
             *  （2）设备分配算法
             *  （3）设备分配的安全性
         *  5.2.2 静态/动态分配
         *  5.2.3 分配中的数据结构
         *  5.2.4 设备分配的步骤
     *  5.3 缓冲区管理
     *   *  5.3.1 缓冲区的作用
         *  5.3.2 缓存区的类型

# 1、I/O设备的基本概念与分类 #

概念：将数据Input/Output (输入/输出)计算机的外部设备

*  按使用特性分类：人机交互类外部设备、存储设备、网络通信设备
 *  按传输速率分类：低速设备、中速设备、高速设备
 *  按信息交换的单位分类：块设备、字符设备

# 2、I/O控制器 #

## 2.1 主要功能 ##

*  接受和识别CPU发出的命令(要有控制寄存器)
 *  向CPU报告设备的状态(要有状态寄存器)
 *  数据交换(要有数据寄存器，暂存输入/输出的数据)
 *  地址识别( 由I/O逻辑实现)

## 2.2 控制器的组成 ##

*  地址识别( 由I/O逻辑实现)
 *  I/O逻辑(负责识别CPU发出的命令,并向设备发出命令)
 *  控制器与设备之间的接口(实现控制器与设备之间的通信)

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 2.3 两种寄存器编址方式 ##

*  内存映射I/O：控制器中的寄存器与内存统一编制，可以采用对内存进行操作的指令来对控制器进行操作
 *  寄存器独立编制：控制器中的寄存器独立编制，需要设置专门\]的指令来操作控制器

# 3、I/O控制方式 #

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>完成一次读/写的过程</th> 
   <th>CPU干预频率</th> 
   <th>每次I/O的数据传输单位</th> 
   <th>数据流向</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>程序直接控制方式</td> 
   <td>CPU发出I/O指令后需要不断轮询</td> 
   <td>高</td> 
   <td>字</td> 
   <td>设备→CPU→内存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>中断驱动方式</td> 
   <td>CPU发出I/O指令后可以做其他事，本次I/O完成后设备控制器发出中断信号</td> 
   <td>高</td> 
   <td>字</td> 
   <td>设备→CPU→内存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>DMA方式</td> 
   <td>CPU发出I/O指令后可以做其他事，本次I/O完成后DMA控制器发出中断信号</td> 
   <td>中</td> 
   <td>块</td> 
   <td>设备→内存</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>通道控制方式</td> 
   <td>CPU发出I/O指令后可以做其他事，通道会执行通道程序以完成I/O，完成后通道向CPU发出中断信号</td> 
   <td>低</td> 
   <td>一组块</td> 
   <td>设备→内存</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

# 4、I/O软件层次结构 #

*  用户层软件：实现与用户交互的接口，向上提供方便易用的库函数
 *  设备独立性软件
    
     *  向上层提供统一的调用接口
     *  设备的保护
     *  差错处理
     *  设备的分配与回收
     *  数据缓冲区管理
     *  建立逻辑设备名到物理设备名的映射关系
     *  …
 *  设备驱动程序：设置设备寄存器、检查设备状态
 *  中断处理程序：进行中断处理
 *  硬件：执行I/O操作，由机械部件、电子部件组成

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
 属于操作系统内核部分的也称为I/O核心子系统

用户发出I/O请求，处理的具体过程：

*  用户通过调用用户层软件提供的库函数发出的I/O请求
 *  用户层软件通过“系统调用”请求设备独立性软件层的服务
 *  设备独立性软件层根据LUT调用设备对应的驱动程序
 *  驱动程序向I/O控制器发出具体命令
 *  等待I/O完成的进程应该被阻塞，因此需要进程切换，而进程切换必然需要中断处理

# 5、I/O核心子系统的核心功能 #

## 5.1 假脱机技术 ##

又叫SPOOLing技术，用软件的方式模拟脱机技术

*  输入井和输出井一模拟脱机输入/输出时的磁带
 *  输入进程和输出进程一-模 拟脱机输入/输出时的外围控制机
 *  输入缓冲区和输出缓冲区-一内存中的缓冲区, 输入、输出时的“中转站”

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

## 5.2 设备的分配与回收 ##

### 5.2.1 设备分配时需要考虑的因素 ###

#### （1）设备的固有属性 ####

*  独占设备：一个时段只能分配给一个进程(如打印机)
 *  共享设备：可同时分配给多个进程使用(如磁盘)，各进程往往是宏观上同时共享使用设备，而微观上交替使用
 *  虚拟设备：采用SPOOLing技术将独占设备改造成虚拟的共享设备，可同时分配给多个进程使用(如采用SPOOLing 技术实现的共享打印机)

#### （2）设备分配算法 ####

*  先来先服务
 *  优先级高者优先
 *  短任务优先
 *  …

#### （3）设备分配的安全性 ####

*  安全分配方式：为进程分配一个设备后就将进程阻塞，本次I/O完成后才将进程唤醒
 *  不安全分配方式：进程发出I/O请求后，系统为其分配I/O设备，进程可继续执行，之后还可以发出新的I/O请求。只有某个I/O请求得不到满足时才将进程阻塞

### 5.2.2 静态/动态分配 ###

*  静态分配:进程运行前为其分配全部所需资源，运行结束后归还资源
 *  动态分配:进程运行过程中动态申请设备资源

### 5.2.3 分配中的数据结构 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]  
（1）设备控制表(DCT)：系统为每个设备配置一张DCT，用于记录设备情况

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]  
（2）控制器控制表(COCT)：每个设备控制器都会对应一张COCT，操作系统根据COCT的信息对控制器进行操作和管理

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]  
（3）通道控制表(CHCT)：每个通道都会对应一张CHCT，操作系统根据CHCT的信息对通道进行操作和管理

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
（4）系统设备表(SDT) ：记录了系统中全部设备的情况，每个设备对应一个表目

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]  
（5）逻辑设备表(LUT)： 建立了逻辑设备名与物理设备名之间的映射关系

![在这里插入图片描述][20200117235722444.png]

### 5.2.4 设备分配的步骤 ###

1.  根据进程请求的物理设备名查找SDT
2.  根据SDT找到DCT并分配设备
3.  根据DCT找到COCT并分配控制器
4.  根据COCT找到CHCT并分配通道
    
    缺点：用户编程时必须使用"物理设备名"，若换了一个物理设备，则程序无法运行。若进程请求的物理设备正在忙碌，则即使系统中还有同类型的设备,进程也必须阻塞等待
    
    改进：用户编程时使用逻辑设备名申请设备，操作系统负责实现从逻辑设备名到物理设备名的映射(通过LUT)

## 5.3 缓冲区管理 ##

缓冲区是一个存储区域，可以由专门的硬件寄存器组成，也可利用内存作为缓冲区

### 5.3.1 缓冲区的作用 ###

*  缓和CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾
 *  减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制
 *  解决数据粒度不匹配的问题
 *  提高CPU与I/0设备之间的并行性

### 5.3.2 缓存区的类型 ###

*  单缓冲
 *  双缓冲
 *  循环缓冲
 *  缓冲池

单缓冲示意图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]  
 缓冲池示意图

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxNTk2NTY4_size_16_color_FFFFFF_t_70 9]

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