操作系统设备管理培训教材

发布时间:2021-08-25 06:45:28

操作系统设备管理培训教材 路漫漫其悠远 少壮不努力,老大徒悲伤 I/O管理示意 应用程序 文件管理 应用编程接口 设备驱动程序 控制寄存器 状态寄存器 设备控制器 数据寄存器 硬件接口 一、概述 1、I/O的特点 CPU与I/O的速度差别大 →尽量使两者交叠运行 →减少由于速度差异造成的整体性能开销 (1)I/O性能经常成为系统性能的瓶颈 (2)操作系统庞大复杂的原因之一: 资源多、杂,并发,均来自I/O 外设种类繁多,结构各异 输入输出数据信号类型不同 速度差异很大 (3)与其他功能联系密切,特别是文件系统 2、设备的分类 (1)按功能特性分 存储型设备 输入输出型设备(交互型设备) 数据通信设备 设备的分类(续1) (2)按数据组织分 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 传输速率较高、可寻址(随机读写) 字符设备 以字符为单位存储、传输信息 传输速率高、不可寻址 设备的分类(续2) (3)按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备,一 般为低速I/O设备(如打印机,磁带等) 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备, 多个进程以交叉的方式来使用设备,其资源利 用率高(如硬盘) 设备的分类(续3) 虚设备 在一类设备上模拟另一类设备,常用共享 设备模拟独占设备,用高速设备模拟低 速设备,被模拟的设备称为虚设备 目的:将慢速的独占设备改造成多个用户可共享 的设备,提高设备的利用率 (实例:SPOOLing技术,利用虚设备技术 ——用硬盘模拟输入输出设备) 设备的分类(续4) SPOOLing技术 为解决独立设备数量少,速度慢,不能满 足众多进程的要求,而且在进程独占设备 期间,设备利用率比较低而提出的一种设 备管理技术 另一种资源转换技术 3.设备管理的目标和任务 (1)按照用户的请求,控制设备的各种 操作,完成I/O设备与内存之间的数据交 换,最终完成用户的I/O请求 设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型,采用一定的分 配算法,选择一条数据通路 执行设备驱动程序,实现真正的I/O操作 设备中断处理:处理外部设备的中断 缓冲区管理:管理I/O缓冲区 设备管理的目标和任务(续1) (2)建立方便、统一的独立于设备的接 口 方便性:向用户提供使用外部设备的方便接口, 使用户编程时不考虑设备的复杂物理特性 统一性:对不同的设备采取统一的操作方式,在 用户程序中使用的是逻辑设备 逻辑设备与物理设备、屏蔽硬件细节(设备的 物理细节,错误处理,不同I/O的差异性) 设备独立性(设备无关性) 目的: 提高操作系统的可适应性好设处备和:分可配扩时的展灵性活性 易于实现I/O重定向 从用户角度:用户在编制程序时,使用逻辑 设备名,由系统实现从逻辑设备到物理设备 (实际设备)的转换,并实施I/O操作 从系统角度:设计并实现I/O软件时,除了 直接与设备打交道的低层软件之外,其他部 分的软件不依赖于硬件 设备管理的目标和任务(续3) (3)充分利用各种技术(通道,中断,缓 冲,异步I/O等)提高CPU与设备、设备 与设备之间的并行工作能力,充分利用 资源,提高资源利用率 并行性 均衡性(使设备充分忙碌) 设备管理的目标和任务(续4) (4)保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、 不被破坏的、保密的 二、I/O硬件特点 1.设备组成 I/O设备一般由机械和电子两部分组成 把这两部分分开处理,以提供更加模块化, 更加通用的设计 设备组成(续1) (1)物理设备 机械部分是设备本身(物理装置) (2)设备控制器 电子部分叫做设备控制器或适配器 完成设备与主机间的连接和通信 在小型和微型机中,它常采用印刷电路卡 插入计算机主板上的总线插槽 通过若干接口寄存器或接口缓冲区与 CPU通信 设备组成(续2) 电子部分完成的工作 ? (端口)地址译码 ? 按照主机与设备之间约定的格式和过程 接受计算机发来的数据和控制信号 向主机发送数据和状态信号 ? 将计算机的数字信号转换成机械部分能识别 的模拟信号,或反之 ? 实现设备内部硬件缓冲、数据加工等提高性 能或增强功能 2.设备接口 操作系统将命令写入控制器的接口寄存器(或接口 缓冲区)中,以实现输入/输出,并从接口寄存器 读取状态信息或结果信息 例如:IBM PC的软盘控制器可接收15条命令, READ、WRITE、FORMAT、SEEK、 RECALIBRATE,命令可以带参数,它们被一起送 入控制器的寄存器中 当控制器接受一条命令后,可独立于CPU完成指定 操作,CPU可以转去执行其它运算。命令完成时, 控制器产生一个中断,CPU响应中断,控制转给操 作系统。CPU通过读控制器寄存器中的信息,获得 操作结果和设备状态 设备接口(续1) 控制器与设备之间的接口常常是一个低级接口。 例如磁盘,可以按每个磁道8扇区,每个扇区 512个字节进行格式化。然而,实际从驱动器出 来的却是一连串的位流,以一个头标 (preamble)开始,然后是一个扇区的4096 位(512×8),最后是检查和或错误校验码 (Error—C一C:ECC)。头标是在对磁盘格式 化时写上的,它包括柱面和扇区数,扇区的大小 和类似的一些数据 控制器的任务是把串行的位流转换为字节块,并 进行必要的错误修正。首先,控制器按位进行组 装,然后存入控制器内部的缓冲区中形成以字节 为单位的块。在对块验证检查和并证明无错误时, 再将它复制到内存中 3.I/O端口地址 ? 接口电路中:多个寄存器 ? 每个寄存器有唯一的一个地址,该地址 称为I/O端口地址 I/O指令形式与I/O地址是相互关联的 主要有两种形式: 内存映像编址(内存映像I/O模式) I/O独立编址(I/O专用指令) 存储映像编址 分配给系统中所有端口的地址空间与内存的地址空 间统一编址 主机把

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