pcxt總線isa總線mca總線eisa總線vesa總線pci總線-piazza

1、設備管理,主要內(nèi)容,概述輸入/輸出處理緩沖技術驅(qū)動調(diào)度技術設備分配虛擬設備,概述,計算機的外圍設備分為（設備管理的對象）：存儲型設備，以存儲大量信息和快速檢索為目標，如磁帶機、磁盤機輸入輸出型設備，將外界信息輸入計算機，把計算結果從計算機輸入。如顯示器、卡片機、打印機設備管理的目的：方便用戶使用各種各樣的外圍設備，同時提高各種外圍設備的并行性，從而提高其利用率,I/O處理全過程,,Device DriverTop H

2、alf,,Device DriverBottom Half,,DeviceHardware,,Kernel I/OSubsystem,UserProgram,設備管理的目標和功能,根據(jù)用戶請求，控制各類設備實現(xiàn)用戶的目標控制設備操作，實現(xiàn)設備與內(nèi)存的數(shù)據(jù)交換設備的分配與回收、設備驅(qū)動程序、設備中斷管理等管理緩沖區(qū)的建立、分配和釋放。向用戶提供方便的設備接口，屏蔽底層硬件細節(jié)差別。虛擬機——邏輯設備的作用：用戶能夠簡單方

3、便的使用I/O設備設備接口的方便性、友好性、透明性、設備無關性利用各種技術，提高設備的運行效率設備與CPU之間、設備之間的并行設備負載的均衡：保持設備的充分忙碌主要利用的技術有：中斷技術、DMA技術、通道技術、緩沖技術實現(xiàn)對設備的管理和保護設備的分配與回收：針對獨占設備和共享設備，實現(xiàn)合理的資源分配設備的數(shù)據(jù)保護：不同設備之間的保護、設備內(nèi)部的保護,概述,設備管理是操作系統(tǒng)中最龐雜和瑣碎的部分。其主要內(nèi)容：外圍設備中斷

4、處理緩沖區(qū)管理外圍設備的登記和使用情況跟蹤以及分配和去配外圍設備驅(qū)動調(diào)度虛擬設備及其實現(xiàn),,基本,輸入/輸出處理,輸入/輸出系統(tǒng)的組成I/O設備及其接口線路控制部件通道管理軟件,,硬件,軟件,,主存,外圍設備,,輸出,,輸入,設備的分類 I/O設備的種類繁多，從OS觀點來看，其重要的性能指標有：數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)的傳輸單位、設備的共享屬性等。1．按傳輸速率分類低速設備：指傳輸速率為每秒鐘幾個字節(jié)到數(shù)百個字節(jié)的

5、設備。典型的設備有鍵盤、鼠標、語音的輸入等；中速設備：指傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)十千個字節(jié)的設備。典型的設備有行式打印機、激光打印機等；高速設備：指傳輸速率在數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)兆字節(jié)的設備。典型的設備有磁帶機、磁盤機、光盤機等。,2．按信息交換的單位分類塊設備（Block Device）：指以數(shù)據(jù)塊為單位來組織和傳送數(shù)據(jù)信息的設備。這類設備用于存儲信息，有磁盤和磁帶等。它屬于有結構設備。典型的塊設備是磁盤，每個盤塊的大小為51

6、2B～4KB，磁盤設備的基本特征是：①傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；②它是可尋址的，即可隨機地讀/寫任意一塊；③磁盤設備的I/O采用DMA方式。字符設備（Character Device）：指以單個字符為單位來傳送數(shù)據(jù)信息的設備。這類設備一般用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出，有交互式終端、打印機等。它屬于無結構設備。字符設備的基本特征是：①傳輸速率較低；②不可尋址，即不能指定輸入時的源地址或輸出時的目標地址；③字符設備的I／O常采用中斷驅(qū)動方

7、式。,3．按資源分配的角度分類獨占設備：指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶（進程）訪問的設備，大多數(shù)低速的I/O設備，如用戶終端、打印機等屬于這類設備。因為獨占設備屬于臨界資源，所以多個并發(fā)進程必須互斥地進行訪問。共享設備：指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設備。顯然，共享設備必須是可尋址的和可隨機訪問的設備。典型的共享設備是磁盤。共享設備不僅可以獲得良好的設備利用率，而且是實現(xiàn)文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的物質(zhì)基礎。虛擬設備：指通過虛擬技術

8、將一臺獨占設備變換為若干臺供多個用戶（進程）共享的邏輯設備。一般可以利用假脫機技術（SPOOLing技術）實現(xiàn)虛擬設備。,輸入/輸出設備分類4. 按輸入、輸出特征輸入型、輸出型、存儲型5. 按存取方式順序型直接型（隨機）,輸入/輸出處理,輸入/輸出控制方式I/O控制器（管理軟件），對設備進行管理/并實施具體的I/O操作按其功能的強弱、以及與CPU的聯(lián)系方式（并行度的差異），可分為：詢問方式中斷方式DMA方式通道方式

9、,輸入/輸出處理,輸入/輸出控制方式詢問方式程序直接控制方式，不斷查詢外圍設備的工作狀態(tài)（忙式等待）CPU與I/O設備之間串行工作效率低下,詢問方式（程序直接控制方式）的工作流程,由操作系統(tǒng)的“服務程序”負責將用戶數(shù)據(jù)傳送至打印機端口服務程序順序傳送打印數(shù)據(jù)，填滿接口緩沖區(qū)后就等待（空循環(huán)）每次循環(huán)中都檢查接口緩沖區(qū)是否可用，一旦可用就繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送完成后“服務程序”結束，用戶進程繼續(xù)運行缺點：靠CPU以“忙等待”

10、的形式與打印機進行通信，浪費CPU資源,輸入/輸出處理,輸入/輸出控制方式中斷方式中斷技術的引入，使得外圍設備有表達其工作狀態(tài)的能力CPU與I/O設備之間可以部分并行工作，但數(shù)據(jù)傳輸時，CPU需要參與工作，仍為串行工作方式效率有所提高,中斷控制I/O的工作流程,“打印服務程序”只將最開始的數(shù)據(jù)傳送至打印機端口，然后阻塞CPU可繼續(xù)調(diào)度其他進程運行，不浪費CPU時間一旦打印緩沖區(qū)空后，打印機端口發(fā)出硬件中斷CPU響應中斷，恢

11、復“打印服務程序”運行，繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)缺點：雖然節(jié)省了CPU資源，但是中斷響應也消耗較大的系統(tǒng)資源,輸入/輸出處理,輸入/輸出控制方式DMA方式I/O設備可直接與主存交換數(shù)據(jù)，而不需要CPU過多的干預DMA具有處理器的能力，與CPU共享對總線的控制數(shù)據(jù)在主存與I/O設備之間以塊為單位傳輸，傳輸過程不需要占用CPU時間CPU與I/O設備之間可以并行工作，效率較高缺點：CPU還需要在塊與塊之間對I/O操作進行干預,DMA控制I/

12、O的工作流程,用戶進程發(fā)出系統(tǒng)調(diào)用后進入阻塞態(tài)，CPU直接設置DMA端口CPU與DMA并行工作，DMA負責將用戶數(shù)據(jù)傳送給打印機當DMA完成所有工作后，向CPU發(fā)出中斷，CPU響應后喚醒用戶進程優(yōu)點：只有一次中斷、DMA與CPU并行提高了系統(tǒng)運行效率缺點：DMA速度較慢，如果CPU并不繁忙，那么DMA機制并無太大意義,輸入/輸出處理,輸入/輸出控制方式通道方式減少CPU對I/O操作的干預，只是在開始啟動時執(zhí)行相應指令，并在操

13、作結束時通過中斷通知執(zhí)行代碼進行處理。CPU與I/O設備之間完全并行工作效率高,（1）字節(jié)多路通道（Byte Multiplexor Channel）：按字節(jié)交叉方式工作，每個通道完成一個字節(jié)交換后便讓出通道。,（2）數(shù)組選擇通道（Block Selector Channel）：字節(jié)多路通道不適于連接高速設備，推動了按組數(shù)方式進行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。這種通道雖然可以連接多臺高速設備，但只含有一個分配型子通道，在一段時間內(nèi)只

14、能執(zhí)行一道通道程序，且獨占方式，直至該設備傳送完畢釋放該通道。（3）數(shù)組多路通道（Block Multiplexor Channel）：這是將數(shù)組選擇通道的高速和字節(jié)多路通道的分時并行結合起來的一種新通道。瓶頸問題:通道相對設備較少而造成數(shù)據(jù)交換阻塞。,總線系統(tǒng),計算機系統(tǒng)中的各部件如CPU、內(nèi)存以及各種I/O設備之間的聯(lián)系，都是通過總線來實現(xiàn)的?？偩€性能是用時鐘頻率、帶寬和相應的總線傳輸速率來衡量。1 ISA（Industry

15、 Standard Architecture）：原先帶寬8位，2Mb/s速率，后為16位，16Mb/s速率。2.EISA（Extended ISA）：帶寬32位，速率32Mb/s。3.局部總線：是指將多媒體卡、高速LAN網(wǎng)卡、高性能顯示卡等，從總線上分離，通過局部總線控制器，直接接到CPU總線上，使之具有高速數(shù)據(jù)交換能力。4.VESA（Video Electronic Standard Association）：32位，可達132

16、Mb/s，但控制器無緩沖，且連Pentium也不支持。5.PCI（Peripheral Component Interface）：支持64位系統(tǒng)，它在CPU和外設之間加了一層復雜的管理系統(tǒng)，用于協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)傳輸和提供一致的接口。能適應高頻率的CPU。,微型計算機總線的種類和發(fā)展：,SCSI總線,USB技術：USB（Universal Serial Bus）通用串行總線，是一種連接I/O串行設備的技術標準。（1）沖破了計算機技術發(fā)展的兩個

17、歷史局限性：由于I/O設備的接口標準的不一致和有限的接口數(shù)量已無法滿足各種應用迫切需要；傳統(tǒng)的I/O設備的接口無法滿足實時數(shù)據(jù)傳輸與多媒體應用的需求。（2）USB以WDM（Windows Driver Model）模型為基礎，WDM包含一套通用的I/O服務和二進制兼容的設備驅(qū)動程序。（3）USB支持同步數(shù)據(jù)傳輸方式和異步數(shù)據(jù)傳輸方式，其數(shù)據(jù)傳輸率有低速1．5Mbps和全速12Mbps乃至上百Mbps，比標準串口快上百倍。,（4）US

18、B可以主動為外部設備提供電源，允許外部設備快速連接，具有即插即用的功能。（5）允許外部設備的熱插拔。（6）控制器的功能：控制器主要負責執(zhí)行由控制器驅(qū)動程序發(fā)出的命令。（7）控制器驅(qū)動程序：控制器驅(qū)動程序在控制器與USB設備之間建立通信信道。（8）USB芯片驅(qū)動程序：USB芯片驅(qū)動程序提供了對USB的支持。（9）USB設備分為兩類：1.USB集線器：本身可再接其他USB外圍設備。2.USB設備：連接在計算機上用來完成特定功能

19、并符合USB規(guī)范的I/O設備單元，如鼠標、鍵盤等。（10）4種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式：,1.等時傳輸方式：以固定的傳輸速率，連續(xù)不斷傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)生錯誤時，USB不處理，而是繼續(xù)傳送新的數(shù)據(jù)。用于需要連續(xù)傳輸，且對數(shù)據(jù)的正確性要求不高而對時間極為敏感的外部設備，如麥克風、音箱以及電話等。2.中斷傳輸方式：該方式傳送的數(shù)據(jù)量很小，但這些數(shù)據(jù)需要及時處理，以達到實時效果，此方式主要用在鍵盤、鼠標以及游戲手柄等外部設備上。3.控制傳輸方式：處

20、理主機的USB設備的數(shù)據(jù)傳輸，包括設備控制指令、設備狀態(tài)查詢及確認命令。當USB設備收到這些數(shù)據(jù)和命令后將按照先進先出的原則按隊列方式處理到達的數(shù)據(jù)。4.批量傳輸方式：用來傳輸要求正確無誤的數(shù)據(jù)。通常打印機、掃描儀和數(shù)碼相機以這種方式與主機連接。除等時傳輸方式外，其他3種方式在數(shù)據(jù)傳輸發(fā)生錯誤時，都會試圖重新發(fā)送數(shù)據(jù)以保證其準確性。,SCSI接口技術:（1）小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interf

21、ace）：一個SCSI I/O設備控制器，可將新型高速I/O設備增加到計算機系統(tǒng)中。（2）SCSI 設備控制器的智能化I/O控制：降低了計算機系統(tǒng)的負擔，使計算機系統(tǒng)具有更高的I/O能力。,緩沖技術,動因：改善CPU與外圍設備之間速度不匹配的矛盾協(xié)調(diào)邏輯記錄大小與物理記錄大小不一致的問題減少I/O操作對CPU執(zhí)行的中斷次數(shù)放寬對CPU中斷響應時間的要求基本思想，當一個進程執(zhí)行寫操作輸出數(shù)據(jù)時，先向系統(tǒng)申請一個輸出緩沖區(qū)，然

22、后，將數(shù)據(jù)高速送到緩沖區(qū)。若為順序?qū)懻埱螅瑒t不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直至裝滿。輸入緩沖區(qū)類似。,設備速度差異,Sun Enterprise 6000 的設備傳輸率,緩沖技術,緩沖技術分類：單緩沖一種簡單的緩沖技術，效率較低雙緩沖又稱緩沖交換。兩個緩沖區(qū)輪流工作。多緩沖多級緩沖組成循環(huán)緩沖。,高速緩存,cache – 保留數(shù)據(jù)拷貝的高速內(nèi)存總是數(shù)據(jù)的拷貝性能的關鍵緩沖與高速緩存緩沖只保留數(shù)據(jù)僅有的一個現(xiàn)存拷貝高速緩存

23、提供了一個駐留在其它地方的數(shù)據(jù)的一個高速拷貝,即插即用技術（Plug and Play）,即插即用技術（Plug and Play）PnP技術：是計算機系統(tǒng)I/O設備與部件配置的應用技術。顧名思義：插入就可用，不需要進行任何設置操作。PnP技術的產(chǎn)生：由于一個系統(tǒng)可以配置多種外部設備，設備也經(jīng)常變動和更換，它們都要占有一定的系統(tǒng)資源，彼此間在硬件和軟件上可能會產(chǎn)生沖突。因此在系統(tǒng)中要正確地對它們進行配置和資源匹配；當設備撤除、

24、添置和進行系統(tǒng)升級時，配置過程往往是一個困難的過程。,PnP技術的特點： （1）支持I/O設備及部件的自動配置，使用戶能夠簡單方便地使用系統(tǒng)擴充設備； （2）減少由制造商裝入的種種用戶支持和限制，簡化部件的硬件跳接設置，使I/O附加卡和部件不再具有人工跳接線設置電路。（3）在主板和附加卡上保存系統(tǒng)資源的配置參數(shù)和分配狀態(tài)，有利于系統(tǒng)對整個I/O資源的分配和控制。（4）支持和兼容各種操作系統(tǒng)平臺，具有很強的擴展性和可移植性。（5

25、）在一定程度上具有“熱插入”、“熱拼接”技術。PnP技術的功能：（1）附加卡的識別與確認。（2）資源分配。（3）附加卡自動配置。多方支持：具有PnP功能的操作系統(tǒng)、配置管理軟件、軟件安裝程序、設備驅(qū)動程序等；網(wǎng)絡設備的PnP支持；系統(tǒng)平臺的支持（如PnP主板、控制芯片組和PnP BIOS等）；各種支持PnP規(guī)范總線的I/O控制卡和部件。,調(diào)度,調(diào)度: 一組I/O 請求就是確定一個好的順序來執(zhí)行這些請求。應用程序所發(fā)布的系

26、統(tǒng)調(diào)用的順序并不一定總是最佳選擇。調(diào)度能改善系統(tǒng)整體性能，能在進程之間公平的共享設備訪問，能減少I/O完成所需要的平均等待時間example: 磁頭移動os為每個設備維護一個請求隊列來實現(xiàn)調(diào)度I/O調(diào)度安排隊列順序以改善系統(tǒng)總體效率和應用程序的平均響應時間公平,設備分配,設備分配為計算機系統(tǒng)接納的每個計算任務分配所需要的外圍設備,設備分配,設備的獨立性作業(yè)（程序）與物理外圍設備之間獨立作業(yè)指定的邏輯設備，而不指定特定的物

27、理設備設備管理程序負責將邏輯設備名轉(zhuǎn)換成物理設備名優(yōu)點：應用程序與物理外圍設無關，系統(tǒng)增減或變更外圍設備不影響程序的執(zhí)行，易于對付輸入輸出設備的故障,設備分配,設備按其使用特性可分為：獨占設備（獨占方式分配），如讀卡機共享設備（共享方式分配），如磁盤虛擬設備（虛擬方式分配）對獨占設備通常采用靜態(tài)分配方式對共享設備通常不需要預先分配常見的分配算法：先來先服務優(yōu)先級高者先服務,虛擬設備,Spooling 技術是用一類物

28、理設備模擬另一類物理設備的技術。其作用：使獨立使用的設備變成可共享設備處理器與外圍設備速度匹配,假脫機與設備預約,spooling – 用來保存設備輸出的緩沖如果設備一次只能服務于一個請求比如，打印機應用程序的輸出先是假脫機到一個獨立的磁盤文件上device reservation -提供對設備的獨占訪問，如允許進程分配一個空閑設備以及不再需要時再釋放該設備分配和再分配的系統(tǒng)調(diào)用小心死鎖,錯誤處理,采用內(nèi)存保護的OS可

29、以預防許多硬件和應用程序的錯誤，從而不會因為小的機械失靈導致完全的系統(tǒng)崩潰。操作系統(tǒng)可以恢復磁盤讀，設備無效，暫時的失敗當I/O失敗時，系統(tǒng)調(diào)用大多數(shù)返回一位調(diào)用狀態(tài)信息，以表示成功或失敗 系統(tǒng)日志記錄了出錯報告,上千種不同的設備，接口標準化。如何標準化設備可靠性難以保證: 媒介失效或傳輸錯誤設備的難以預測/速度慢運行參數(shù):字節(jié)/塊鍵盤 等硬盤，網(wǎng)絡等順序/隨機假脫機/中斷有些設備需要持續(xù)的監(jiān)測有些則利用中

30、斷機制,,,,,,,設備的傳輸速率差異極大操作系統(tǒng)必須能夠處理這些傳輸速率差異極大的設備快速設備：Better not have high overhead/byte慢速設備：Better not waste time waiting,訪問方式,塊設備: e.g. disk drives, tape drives, DVD-ROMAccess blocks of dataCommands include open(), rea

31、d(), write(), seek()Raw I/O or file-system accessMemory-mapped file access possible字符設備: e.g. keyboards, mice, serial ports, some USB devicesSingle characters at a timeCommands include get(), put()Libraries layere

32、d on top allow line editing網(wǎng)絡設備: e.g. Ethernet, Wireless, BluetoothDifferent enough from block/character to have own interfaceUnix and Windows include socket interfaceSeparates network protocol from network operatio

33、nIncludes select() functionalityUsage: pipes, FIFOs, streams, queues, mailboxes,Blocking Interface: “Wait”When request data (e.g. read() system call), put process to sleep until data is readyWhen write data (e.g. wri

34、te() system call), put process to sleep until device is ready for dataNon-blocking Interface: “Don’t Wait”Returns quickly from read or write request with count of bytes successfully transferredRead may return nothing

35、, write may write nothingAsynchronous Interface: “Tell Me Later”When request data, take pointer to user’s buffer, return immediately; later kernel fills buffer and notifies userWhen send data, take pointer to user’s

36、buffer, return immediately; later kernel takes data and notifies user,訪問時機,Main components of Intel Chipset: Pentium 4,Northbridge:Handles memoryGraphicsSouthbridge: I/OPCI busDisk controllersUSB controllersAudio