操作系统练习册07.docx
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操作系统练习册07
第7章设备管理
本章主要讲述I/O的控制方式和设备的分配和处理,具体包括设备管理的基本概念、I/O硬件特点、I/O软件的组成和设备的分配以及虚拟设备等内容。
重点提示:
●I/O设备的分类
●设备管理的主要功能
●中断技术、通道技术、缓冲技术
●设备驱动程序、设备的分配和设备的处理
●SPOOLING技术
7-1重点难点指导
7-1-1设备的分类
计算机的I/O设备种类很多,结构复杂,管理起来较因难。
为了管理上的方便,通常按不同的观点,从不同的角度,对设备进行分类。
下面给出几种常见的分类方法:
1.按所属关系分类
(1)系统设备。
指在操作系统生成时已登记于系统中的标准设备,如键盘、鼠标、磁盘等。
(2)用户设备。
指在系统生成时未登入系统的非标准设备,如绘图仪、扫描器等。
2.从资源分配角度分类
(1)独占设备。
它是指在一段时间内只允许—个用户(进程)访问的设备。
(2)共享设备。
它是指在一段时间内允许多个进程同时访问的设备。
(3)虚拟设备。
它是指通过虚拟技术,如SPOOLING技术,将一台独占设备变换为共享设备供若干个用户(进程)同时使用,通常把这种经过虚拟技术处理后的设备,称为虚拟设备。
3.从外部设备分类
(1)存储设备(或文件设备)。
指计算机用来存储信息的设备,如磁盘、磁带等。
(2)输入/输出设备。
包括输入设备和输出设备两大类。
输入设备是将信息输送给计算机,如键盘、鼠标、扫描仪等;输出设备是将计算机处理或加工好的信息输出,如打印机、显示器、绘图仪等。
4.按信息交换方式分类
(1)块设备。
这类设备用于存储信息。
由于信息的存/取总是以数据块为单位,故称为块设备,典型的块设备是磁盘。
(2)字符设备。
用于数据的输入和输出。
其基本单位是字符,故称为字符设备。
如交互式终端、打印机等。
7-1-2I/O硬件特点
1.I/O系统的硬件组成
(1)设备控制器
设备控制器的主要功能是控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
它是CPU和I/O设备之间的接口,它接收从CPU发出的命令,并控制I/O设备工作。
设备控制器主要完成以下功能:
①接收和识别命令;
②数据交换;
③地址识别;
④标识和报告设备的状态;
⑤数据缓冲;
⑥差错控制。
(2)I/O通道
在许多大、中型计算机系统中,把I/O的管理工作交给了一个专门的部件,即I/O通道。
I/O通道是一个独立于CPU的、专门用来管理I/O的特殊处理机。
它有自己的指令系统,其中的指令被称为通道程序,可以与CPU并行操作,独立管理外设和实现主存和外设之间的信息传输,使CPU摆脱了繁忙的I/O操作。
在配置通道的计算机系统中,不仅能实现CPU与通道的并行操作,而且使通道与通道、各通道的外设之间均能实现并行操作,因而有效地提高了整个系统的使用效率。
根据信息交换方式,通道可分成三种类型:
字节多路通道、数组选择通道和数组多路通道。
(3)I/O系统结构
现代计算机I/O系统的结构由通道、设备控制器和设备三级组成。
通道、设备控制器都是独立的功能部件,它们可以并行操作。
在一个计算机系统中可以配置多个通道。
一个通道也可以连接多个设备控制器,一个设备控制器可以连接多台同类型的设备。
另一方面,系统也可以将一台设备连接到几个控制器,一个控制器也可以连接到几个通道上,以提高设备的利用率和灵活性,如图1-7-1所示。
图1-7-1I/O系统多通路情况
2.I/O控制方式
I/O控制方式的发展经历了四个阶段:
程序查询方式,I/O中断方式,DMA方式和I/O通道方式。
(1)程序查询方式
在早期计算机或现代一些简单的微型计算机系统中,采用程序查询I/O方式。
程序查询是一种用程序直接控制I/O操作的方式。
CPU与外设的活动本质上是异步的,为了实现CPU与外设间的信息传送,CPU必须重复测试外设的状态,仅当外设是处在准备好的状态时,CPU才能与外设交换信息。
所以,在程序查询I/O方式的接口电路中必须设置一状态端口,以使CPU通过执行输入指令了解外设的状态。
当采用程序查询传送方式时,每当程序要使用某一外设进行I/O操作时,CPU要执行一段循环测试程序,以实现在外设准备好时执行一条输入/输出指令,进行一个字节或字的数据传送操作。
在这种方式下,CPU的大量时间消耗在等待输入/输出的循环检测上,使CPU与外设串行工作,严重影响了CPU和外设的使用效率,致使整个系统效率很低。
(2)I/O中断方式
引入中断技术后,每当设备完成I/O操作时,便向CPU发出中断请求信号,通知CPU外设已准备好,可以进行数据传送操作。
这样,CPU一旦启动I/O设备后便可执行其他程序,仅在收到I/O中断请求时才执行其中断服务程序,进行I/O处理和I/O操作。
程序中断传送方式改善了CPU的利用率,并使CPU与外设并行操作。
但I/O数据的处理和I/O操作的控制都是由CPU承担的,仍然消耗了CPU不少时间。
(3)直接存储器访问(DMA)方式
虽然I/O中断方式比程序查询方式更有效,但须注意,它仍是以字节或字为单位进行输入/输出的,每当完成一个字节或字时,控制器便要向CPU请求一次中断。
换言之,采用I/O中断方式时的CPU,是以字节或字为单位进行干预的。
如果将这种方式用于块设备的I/O,显然是低效的。
例如,为了从磁盘中读出1KB的数据块,需要中断CPU1000次。
为了进一步减少CPU对I/O的干预而引入了直接存储器访问(DMA)方式。
采用DMA方式时,不仅允许CPU控制地址线,进行CPU与主存储器的数据交换,而且允许DMA控制器接管地址线的控制权,直接控制DMA控制器与主存的数据交换。
从而使磁盘设备与存储器之间的数据传送不需要CPU介入,因而减轻了CPU的负担。
当DMA硬件控制磁盘与存储器之间进行信息交换时,每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时,DMA控制器取代CPU接管地址总线的控制权,并按照DMA控制器中的存储地址寄存器内容把数据送入相应的存储器单元中。
然后,DMA硬件自动地把传送的字节计数器减1,把存储地址寄存器加1,并恢复CPU对主存储器的控制权,DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程,直到传送字节计数器为“0”时,向CPU产生一个中断信号。
当操作系统接管CPU控制权时,再无需做块复制的工作了。
(4)I/O通道方式
在I/O通道方式中,当用户发出I/O请求时,CPU只需向I/O通道发出一条I/O指令,以给出其所要执行通道程序的始址和要访问的I/O设备;用户进程阻塞等待I/O完成;而通道则通过执行通道程序控制设备控制器,从而控制设备完成制定的I/O任务,然后向CPU发I/O中断信号;CPU响应中断,进行相应处理并唤醒被阻塞的用户进程。
I/O通道方式是DMA方式的发展,它会进一步减少对CPU的干预,即把对一个数据块的读(或写)为单位的干预,减少对一组数据块的读(或写)为单位的干预。
3.缓冲技术
(1)缓冲的引入
凡是数据到达速度和离去速度不匹配的地方都可以采用缓冲技术,以提高I/O设备的利用率和系统效率。
在操作系统中,引入缓冲的主要原因,可归结为以下几点:
①缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾;
②减少对CPU的中断频率,放宽对中断响应时间的限制;
③提高CPU和I/O设备的并行性。
(2)缓冲的类型
按照缓冲区的个数以及缓冲区的组织形式,可以把缓冲分为单缓冲、双缓冲、循环缓冲和缓冲池四种类型。
①单缓冲
单缓冲是在设备和处理机之间设置一个缓冲区。
设备和处理机交换数据时,先把被交换数据写入缓冲区,然后需要数据的设备和处理机从缓冲区取走数据。
②双缓冲
为了加快输入和输出速度,提高并行性和设备的利用率,引入了双缓冲机制,也称缓冲对换。
双缓冲即设置了两个缓冲区。
设备输入时,输入设备先将数据送第一缓冲区,装满后便转向第二缓冲区,此时,操作系统可以从第一缓冲区移出数据,送用户进程;输出时,CPU把要输出的数据装满第一缓冲区后,转向第二缓冲区,这时输出设备输出第一缓冲区内的数据。
③循环缓冲
当输入与输出或生产者与消费者的速度基本相匹配时,采用双缓冲能获得较好的效果,可使生产者和消费者基本上能并行操作。
但若两者的速度相差较远,双缓冲的效果就不够理想,不过可以随着缓冲区数量的增加,使情况有所改善。
因此,又引入了多缓冲机制,可将多个缓冲组织成循环缓冲形式。
对于用做输入的循环缓冲,通常是提供给输入进程或计算进程使用,输入进程不断向空缓冲区输入数据,而计算进程则从中提取数据进行计算。
④缓冲池
无论是单缓冲、双缓冲还是循环缓冲都仅适用于某个特定的I/O进程和计算进程,因而它们属于专用缓冲。
当系统较大时,将会有许多这样的缓冲,这不仅要消耗大量的内存空间,而且其利用率不高。
为了提高缓冲区的利用率,目前广泛流行公用缓冲池,在池中设置了多个可供若干个进程共享的缓冲区。
因为缓冲池既可以作为输入缓冲又可以作为输出缓冲,所以在缓冲池中存在三类缓冲区:
空缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。
我们把各类缓冲区链接在一起,组成以下三条队列:
空缓冲队列emq、输入队列inq、输出队列outq,除了三种缓冲队列以外,系统(或用户进程)从这三种队列中申请和取出缓冲区,并用得到的缓冲区进行存数、取数操作,在存数、取数操作完成后,再将缓冲区挂到相应的队列。
这些缓冲区被称为工作缓冲区。
在缓冲池中,有4种工作缓冲区:
用于收容设备输入数据的收容输入缓冲区hin、用于提取设备输入数据的提取输入缓冲区sin、用于收容CPU输出数据的收容输出缓冲区hout、用于提取CPU输出数据的提取输出缓冲区sout。
7-1-3I/O软件的组成
1.中断处理程序
中断处理程序是设备管理软件中一个相当重要的部分。
在中断方式下,中央处理机与I/O设备之间进行数据传输,无论哪种I/O设备,其中断处理程序的处理过程大体相同,步骤如下:
(1)在某个进程需要数据时,发出指令启动输入/输出设备准备数据。
同时,该指令还通知输入/输出设备控制状态寄存器中的中断允许位置位,以便在需要时,中断程序可以被调用执行。
(2)在进程发出指令启动设备之后,该进程放弃处理机,等待相关I/O操作完成。
此时,进程调度程序会调度其他就绪进程使用处理机。
另一种方式是该进程继续运行(如果能够运行的话),直到I/O中断信号来临。
(3)当I/O操作完成时,输入/输出设备控制器通过中断请求线向处理机发出中断信号。
处理机收到中断信号之后,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)得到了数据的进程,转入就绪状态。
在随后的某个时刻,进程调度程序会选中该进程继续工作。
2.设备驱动程序
设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通信程序,又由于它常以进程的形式存在,有时就简称之为设备驱动进程。
(1)设备驱动程序功能
设备驱动程序的主要功能如下:
①将接收到的抽象要求转换为具体要求;
②检查用户I/O请求的合法性,了解I/O设备的状态,传递有关参数,设置设备的工作方式;
③发出I/O命令,启动分配到的I/O设备,完成指定的I/O操作;
④及时响应由控制器或通道发来的中断请求,并根据其中断类型(正常、异常结束的中断或其他类型中断)调用相应的中断处理程序进行处理;
⑤对于设置有通道的计算机系统,驱动程序还应能够根据用户的I/O请求,自动地构成通道程序。
(2)设备驱动程序特点
设备驱动程序与一般的应用程序及系统程序之间,存在下列明显的差异:
①驱动程序主要是在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信程序。
它将进程的I/O请求传送给控制器,而把设备控制器中所记录的设备状态、I/O操作的完成情况,反映给请求I/O的进程。
②驱动程序与I/O设备的特性紧密相关。
因此,对于不同类型的设备,应配置不同的驱动程序。
③驱动程序与I/O控制方式紧密相关。
常用的设备控制方式是中断驱动和DMA方式。
这两种方式的驱动程序明显不同,因为前者应按数组方式启动设备来进行中断处理。
④由于驱动程序与硬件紧密相关,因而其中的一部分程序必须用汇编语言书写,目前有很多驱动程序,其基本部分已经固化,放在ROM中。
3.独立于设备的软件
独立于设备的软件的基本任务是:
实现所有设备都需要的功能,并且向用户级软件提供一个统一的接口。
独立于设备的软件通常应实现的功能包括:
与设备驱动程序统一接口,设备命名,设备保护,提供与设备无关的块尺寸,缓冲技术,块设备的存储分配,独占设备的分配与释放,报告错误信息。
4.用户空间的I/O软件
大部分I/O软件包含在操作系统中,但是在用户程序中仍有一小部分是与I/O过程连接在一起的。
通常的系统调用,包括I/O系统调用,由库过程实现。
如一个用C语言编写的程序可含有如下的系统调用:
count=write(fd,buffer,nbytes);
在这个程序运行期间,该程序将与库过程write连接在一起,并包含在运行时的二进制程序代码中。
显然,所有这些库过程是设备管理I/O系统的组成部分。
通常这些库过程所做的工作主要是把系统调用时所用的参数放在合适的位置,由其他的I/O过程去实现真正的操作。
在这里,输入/输出的格式是由库过程完成的。
标准的I/O库包含了许多涉及I/O的过程,它们都是作为用户程序的一部分运行的。
当然,并非所有的用户层I/O软件都是由库过程组成的。
SPOOLING系统则是另一种重要的处理方法。
SPOOLING系统是多道程序设计系统中处理独占I/O设备的一种方法。
图1-7-2总结了软件的所有层次及每一层的主要功能。
I/O请求
I/O响应
用户进程
独立于设备的软件
设备驱动程序
中断处理程序
硬件
图1-7-2I/O系统的分层图
7-1-4设备分配
在多道程序环境下,系统中的设备供所有进程使用。
为防止诸进程对系统资源的无序竞争,特规定系统设备不允许用户自行使用,必须由系统统一分配。
每当进程向系统提出I/O请求时,只要是可能和安全的,设备分配程序便按照一定的策略,把设备分配给请求进程。
在某些系统中,为了确保在CPU与设备之间能进行通信,还应分配相应的控制器和通道。
为了实现设备分配,必须在系统中设置相应的数据结构。
1.设备分配中的数据结构
为了实现对I/O设备的管理和控制,需要对每台设备、设备控制器以及通道的有关情况进行记录。
设备分配依据的主要数据结构有:
设备控制表(DCT)、控制器控制表(COCT)、通道控制表(CHCT)和系统设备表(SDT),如图1-7-3所示。
(a)SDT
(b)COCT(c)CHCT(d)SDT
图1-7-3设备控制表、控制器控制表、通道表、系统设备表
系统为每个设备配置了一张DCT。
设备控制表DCT反映设备的特性、设备和I/O控制器的连接情况,包括设备标识符、设备类型、设备地址或设备号、设备状态、设备队列队首指针、重复执行次数或时间、指向控制器表的指针等。
每个控制器都配有一张COCT,它记录控制器的使用状态以及和通道的连接情况。
每个通道也都配有一张通道控制表CHCT,以记录通道的信息。
整个系统设置一张SDT,它记录了当前系统中所有设备的情况。
每个设备占一个表目,其中包括设备类型、设备标识符、设备控制表、驱动程序入口和正在使用设备的进程表示等信息。
2.设备独立性
为了提高操作系统的可适应性和可扩展性,现代操作系统中都毫无例外的实现了设备独立性,又称为设备无关性。
设备独立性的含义是:
应用程序独立于具体使用的物理设备。
为了实现设备的独立性,在操作系统中引入了逻辑设备名和物理设备名两个概念。
在实现了设备独立性的系统中,I/O进程申请设备是以逻辑设备名申请的。
这样,系统可根据当时的设备使用情况动态地为之分配该类中的任一物理设备。
3.设备分配
(1)独占设备基本分配程序
对于具有通道的系统,在进程提出I/O请求后,系统的设备分配程序可按下述步骤进行设备分配:
①分配设备。
首先根据物理设备名查找系统设备表SDT,从中找出该设备的DCT,根据表中的设备状态字段可知该设备是否正忙。
若忙,便将请求I/O进程的PCB挂在设备队列上;否则,便按照—定的算法来计算本次设备分配的安全性。
如果不会导致系统进入不安全状态,便将设备分配给请求进程;否则,仍将其PCB插入设备等待队列。
②分配控制器。
在系统把设备分配给请求I/O的进程后,再到其DCT中找出与该设备连接的控制器的控制器表(COCT),从表内的状态字段中可知该控制器是否忙碌。
若忙,便将请求I/O进程的PCB挂在该控制器的等待队列上;否则,将该控制器分配给进程。
③分配通道。
在该COCT中可找到与该控制器连接的通道的通道表(CHCT),再根据CHCT内的状态信息可知该通道是否忙碌。
若忙,便将请求I/O的进程挂在该通道的等待队列上;否则,将该通道分配给进程。
只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时,这次的设备分配才算成功,然后,便可启动该I/O设备进行数据传送。
(2)改进后的分配程序
①增加设备的独立性
为了获得设备的独立性,进程应用逻辑设备名请求I/O设备。
这样,系统首先从SDT中找出第一个该类设备的DCT,如该设备忙,再查找第二个该类设备的DCT,仅当所有该类设备都忙时,才把进程链在该类设备的等待队列上;而只要有—个该类设备可用,系统便可进一步计算分配该设备的安全性。
②考虑多通路情况
为了防止在I/O系统出现“瓶颈”现象,通常都采用多通路的I/O系统结构。
此时,对控制器与通道的分配,同样要经过几次反复。
即若设备所连接的第一个控制器(通道)繁忙时,应查看其所连接的第二个控制器(通道),仅当所有的控制器(通道)都忙时,此次的控制器(通道)分配才算失败,才把进程挂在控制器(通道)的等待队列上;而只要有一个控制器(通道)可用,系统便可将它分配给进程。
7-1-5虚拟设备
虚拟设备是通过某种技术将一台独占设备改造为可以供多个用户共享的共享设备。
每个用户都感觉好像自己在独占该设备。
把独占设备改造为虚拟设备,可以提高设备的利用率和系统效率,也方便了用户使用共享。
1.SPOOLING技术
SPOOLING技术是一种虚拟设备技术,它可以把一台独占设备改造为虚拟设备,在进程所需的物理设备不存在或被占用的情况下,使用该设备。
为了缓和CPU和I/O设备之间的速度矛盾,引入了脱机输入和脱机输出技术。
该技术是利用专门的外围处理机,将低速I/O设备上的数据传送到高速磁盘上;或者相反。
事实上,当系统中引入了多道程序技术后,完全可以利用其中两道程序来分别模拟脱机输入时的外围机和脱机输出时的外围机功能。
这样,便可在主机的直接控制下,实现脱机输入/输出功能。
此时的外围操作与CPU对数据的处理同时进行,把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLING,或称假脱机操作。
SPOOLING技术是对脱机输入/输出系统的模拟。
相应地,SPOOLING系统必须建立在具有多道程序功能的操作系统上,而且应有高速随机外存的支持,通常是采用磁盘存储技术。
SPOOLING系统主要由以下三部分组成:
(1)输入井和输出井
这是在磁盘上开辟的两个大存储空间。
输入井是模拟脱机输入时的磁盘设备,用于暂存I/O设备输入的数据;输出井是模拟脱机输出时的磁盘,用于暂存用户程序的输出数据。
(2)输入缓冲区和输出缓冲区
为了缓和CPU和磁盘之间速度不匹配的矛盾,在内存中要开辟两个缓冲区:
输入缓冲区和输出缓冲区。
输入缓冲区用于暂存由输入设备送来的数据,以后再传送到输入井;输出缓冲区用于暂存从输出井送来的数据,以后再传送给输出设备。
(3)输入进程SPi和输出进程SPo
这是利用两个进程来模拟脱机I/O时的外围控制机。
其中,进程SPi模拟脱机输入时的外围控制机,将用户要求的数据从输入设备通过输入缓冲区再送到输入井,当CPU需要该数据时,再从输入井中读出来直接送内存;进程SPo模拟脱机输出时的外围控制机,将CPU要输出的数据由内存先送到输入井中,待输出设备空闲时,再由输出井中把数据送到输出缓冲区,由输出设备输出。
7-2典型例题解析
1.通过硬件和软件的功能扩充,把原来独占的设备改造成若干用户共享的设备,这种设备称为()。
A.存储设备B.系统设备C.虚拟设备D.用户设备
【分析】设备可以按不同的角度进行分类,按照资源分配角度可把设备分为:
独占设备、共享设备和虚拟设备。
虚拟设备就是指通过虚拟技术,如SPOOLING技术,将一台独占设备变换为共享设备供若干个用户(进程)同时使用。
【答案】C
2.通道是一种________
A.I/O断口B.共享文件C.I/O专用处理机D.数据通道
【分析】为了减轻CPU对I/O操作的负担,我们在系统中引入了通道,其目的是为了建立独立的I/O操作。
实际上,通道是一种特殊的处理机,它具有执行I/O指令的能力,并通过执行通道程序来控制I/O操作。
但通道又与一般的处理机不同:
①通道指令类型单一,局限于I/O操作有关的指令;②通道没有自己的主存,通道与CPU共享内存。
【答案】C
3.操作系统中引入缓冲技术的目的是为了增强系统的________能力。
A.串行操作B.并行操作C.控制操作D.中断操作
【分析】在操作系统中引入缓冲技术主要原因有以下三点:
①缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾;②减少对CPU的中断频率,放宽对中断响应时间的限制;③提高CPU和I/O设备的并行性。
其主要目的就是为了增强系统的并行能力,提高效率。
【答案】B
4.设备独立性是指________。
【分析】为了提高操作系统的可适应性和可扩展性,现代操作系统中都毫无例外的实现了设备独立性,又称为设备无关性。
为了实现设备独立性,系统引入了逻辑设备名和物理设备名两个概念,用户使用逻辑设备名来申请设备,而与具体的物理设备无关。
【答案】应用程序独立于具体使用的物理设备
5.在中断驱动方式中,CPU是________为单位对I/O进行干预;DMA方式时,是以_______为单位进行干预的;I/O通道方式是以________为单位进行干预的。
【分析】在中断驱动方式中,每完成一个字节,控制器便要向CPU请求一次中断;在DMA方式时,数据传输是在DMA控制器的控制下,直接和内存进行存取,当完成数据块的传输后,才向CPU发出中断;I/O通道是一种特殊的处理机,专门用于I/O操作,它进一步较少对CPU的干预,当对一组数据块的读(或写)完成后才向CPU发出中断。
【答案】字节数据块一组数据块
6.设备控制器的主要功能是什么?
【分析与解答】
设备控制器的主要功能是控制一个或多个I/O设备,以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。
它是CPU和I/O设备之间的接口,它接收从CPU发出的命令,并控制I/O设备工作。
设备控制器主要完成以下功能:
(1)接收和识别命令。
接收从CPU发来的命令,并识别这些命令。
(2)数据交换。
指实现CPU与设备控制器之间、控制器与设备之间的数据交换。
(3)地址识别。
系统中每一个设备都有一个地址,设备控制器必须能够识别它所控制的每个设备的地址。
(4)标识和报告设备的状态。
控制器应记下设备的状态供CPU了解。
(5)数据缓冲。
由于I/O设备的速度较低而CPU和内存的速度较高,故在控制器中可以设置一缓冲,以缓和I/O设备和CPU、内存之间的速度矛盾。
(6)差错控制。
设备控制器还兼管对由I/O设备传来的数据进行差错检测。
7.什么是设备驱动程序?
设备驱动程序的主要功能是什么?
【分析与解答】
设备驱动程序是I/O进程与设备控制器之间的通
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