第五章設(shè)備管理在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中除CPU和內(nèi) 外所有的設(shè)備和裝置稱為計(jì) 設(shè)備：用來存放各種信息的設(shè)備稱 設(shè)備，例如軟盤、硬盤、光盤和磁帶等I/O設(shè)備：用來向計(jì)算機(jī)輸入和輸出信息的設(shè)備，如鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器 等在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有些設(shè)備既可以 設(shè)備，也可以做I/O設(shè)備設(shè)備管理是操作系統(tǒng)的一個(gè)重要的組成部分，負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中所有的外部設(shè)備。I/O系統(tǒng)：I/O設(shè)備及其接口線路、控制部件、通道和管理軟件的總稱。 概備的分類備控制器備管理的目標(biāo)備管理的功備的分1、按傳輸速率低速設(shè)備：每秒幾個(gè)到數(shù)百字節(jié)。如Modem，鍵盤，鼠標(biāo)等中速設(shè)備：每秒數(shù)千到數(shù)萬字節(jié)。如激光打高速設(shè)備：每秒數(shù)百K到數(shù)兆。如磁盤、磁2、按信息交換的單位分字符設(shè)備：I/O傳輸?shù)膯挝皇亲止?jié)，如 modem等。特征：速率較低、I/O常采用中斷塊設(shè)備：I/O傳輸?shù)膯挝皇菈K，如磁盤、磁帶。特征：速率高（幾兆）、可隨機(jī)任按資源管理方式分獨(dú)占設(shè)備：在一段時(shí)間內(nèi)只允許一個(gè)進(jìn)程的設(shè)備。字符設(shè)備及磁帶機(jī)屬獨(dú)占型設(shè)備。即臨界資源。共享設(shè)備：一段時(shí)間內(nèi)允許多個(gè)進(jìn)程同時(shí)的設(shè)備，多個(gè)進(jìn)程對(duì)它的可以交叉進(jìn)行，除磁帶機(jī)虛擬設(shè)備：通過虛擬技術(shù)將一占設(shè)備變換為若干臺(tái)供多個(gè)用戶（進(jìn)程）共享的邏輯設(shè)備。一般可二、設(shè)備控制 一個(gè)控制器可以控制兩個(gè) 同類設(shè)備制器和設(shè)備的兼容性CPU發(fā)來令,控制I/O設(shè)備操作,實(shí)現(xiàn)主存和設(shè)備設(shè)備控制器是一個(gè)可編址設(shè)備,當(dāng)它連接多臺(tái)設(shè)備設(shè)備控制器主要①接收和識(shí)別CPU或通道發(fā) ②實(shí) ,包括設(shè)備和控制器間的數(shù)據(jù)傳輸控制器和 器間傳輸數(shù)③發(fā)現(xiàn)和記錄設(shè)備及自身的狀態(tài)信息,供CPU處理④設(shè)備地址識(shí)主控制主控制顯示控制備管理的目1、設(shè)備獨(dú)立設(shè)備獨(dú)立性：應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。用戶在編制程序時(shí)，使用邏輯設(shè)備名，由系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)從邏輯設(shè)備到物理設(shè)備（實(shí)際設(shè)備）的轉(zhuǎn)換。用戶能獨(dú)立于具體物理設(shè)備而方便的使用設(shè)備。這很象程序?qū)壿嫷乩缭谙到y(tǒng)中配備了兩臺(tái)，用戶要打印時(shí)只要告訴系統(tǒng)要將信息送到即可。設(shè)備獨(dú)立性帶來的好便于系統(tǒng)增減或變 設(shè)便于實(shí)現(xiàn)I/O提高了設(shè)備分配的靈活性和利用2、提高設(shè)備利用提高設(shè)備的使用效率是操作系統(tǒng)設(shè)備管理的重要目為達(dá)到此目標(biāo)除了要合理分配和使用外部設(shè)備外，還應(yīng)努力提高設(shè)備同CPU的并行程度。與此有關(guān)的技3、設(shè)備的統(tǒng)一管外設(shè)的種類繁多，特性各異，主要差別反映在以下幾個(gè)方面：速度：不同的設(shè)備處理和傳遞信息的速度差別甚大，如鍵盤每秒鐘只能處理幾個(gè)或幾十個(gè)字符，而磁盤的處理速度可達(dá)幾十MB/S傳遞單位：有的設(shè)備以字符為單位傳遞信息，如鍵盤。有的以字符塊為單位傳遞信息，如磁盤。操作方法和特性：各種設(shè)備都有自己的特性和操作方法如 只允許寫操作，鍵盤只能做讀操作，而磁盤既可讀，也可寫；卡片機(jī)中的卡片不能 ，磁帶機(jī)可反繞，磁盤可隨機(jī)存取。出錯(cuò)條件：各種設(shè)備的出錯(cuò)條件不同，即數(shù)據(jù)傳輸失敗的原因各種各樣，如有缺紙錯(cuò)，磁盤I/O有奇偶校驗(yàn)錯(cuò)等。設(shè)備管理程序力圖隱蔽上述各種設(shè)備的差別，向用戶提供統(tǒng)一的設(shè)備使用接口，這會(huì)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來，但方便了用戶。如UNIX系統(tǒng)把外設(shè)作為特別文件處理，把設(shè)備看作文件，用操作文件的方法來操作設(shè)備，這極大地方便了用戶。這種設(shè)備管理備管理的功1在多用戶或多進(jìn)程的環(huán)境中，每個(gè)用戶在完成各自的任務(wù)時(shí)總是要使用外設(shè)，為用戶或進(jìn)程分配設(shè)備設(shè)備分配包括：設(shè)備分配策略、分配的方式、分配2設(shè)備控制是設(shè)備管理的另 能，它包括設(shè)備驅(qū)動(dòng)3、實(shí)現(xiàn)其他功I/O控制方詢方式斷方式三、DMA方式道方式詢方在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于無中斷機(jī)構(gòu)，對(duì)設(shè)備的控制采用程序輪詢方式。工作過程（以輸入為例定單元中輪詢方式使CPU的絕大部分時(shí)間都處于循環(huán)測(cè)試中浪費(fèi)大量CPU時(shí)間二、中斷方為了提高CPU和設(shè)備的利用率，就應(yīng)使CPU與設(shè)備并行工作，采用I/O中斷方式。中斷方式要求CPU與設(shè)備控制器及設(shè)備之CPU與設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸過程：1)進(jìn)程發(fā)出啟動(dòng)I/O指令，這時(shí)CPU會(huì)加載控制信息到設(shè)備控制器的寄存器，然后，進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行或放棄CPU等待設(shè)備操作完成；2)設(shè)備控制器檢查按照I/O指令的要求，執(zhí)行相應(yīng)I/O操作，一旦傳輸完成，設(shè)備控制器通過發(fā)出I/O中斷信號(hào)；3)CPU收到并響應(yīng)I/O中斷后，轉(zhuǎn)向處理該備的I/O中斷處理程序執(zhí)行；4)中斷處理程序執(zhí)行數(shù)據(jù) 操作，將I/O緩沖寄存器的內(nèi)容寫入主存操作結(jié)束后退出中斷處理程序，返回中斷前的執(zhí)行狀態(tài)；5)進(jìn)程調(diào)度程序在當(dāng)刻復(fù)到據(jù)進(jìn)執(zhí)。分次中斷。如果設(shè)備較多時(shí)，中斷次數(shù)會(huì)很CPU三、DMA（DirectMemoryAcess）DMA方式又稱直接器方式。其基本思想是在外設(shè)和主存之間開辟直接的通路?？刂破鞴δ芨鼜?qiáng)，除有中斷功能外，還有一個(gè)DMA控制機(jī)構(gòu)。在DMA控制器的控制下，設(shè)備同主存之DMA方式的特?cái)?shù)據(jù)傳送的基本單位是數(shù)據(jù)所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備送內(nèi)存，或者相反僅在傳送一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時(shí)，才需中斷CPU，請(qǐng)求干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制四、通道方I/O系統(tǒng)結(jié)在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中較為典型的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是主機(jī)、通道、控制器和外為使 處理機(jī)從繁忙的I/O處理中擺脫出來，現(xiàn)代大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中設(shè)置了專門的處理I/O操作的處理機(jī)，并把這種處理機(jī)稱為通道。通道在CPU的控制下獨(dú)立地執(zhí)行通道程序，對(duì)外部設(shè)備的I/O操作進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存 通道=I/O處理采用通道后的I/O操作過程CPU在執(zhí)行主程序時(shí)遇到I/O請(qǐng)求，它啟動(dòng)指定通道上選址的設(shè)備，一旦啟動(dòng)成功，通道開始控制設(shè)備進(jìn)行操作。CPU就可執(zhí)行其他任務(wù)并與通道并行工作，直到I/O操作完成。通道發(fā)出操作結(jié)束中斷時(shí)，CPU才停止當(dāng)前工作，轉(zhuǎn)向處理I/O操作結(jié)束事件。通道的發(fā)新的通道思想綜合了許多 稱為IOP（IOProcessor），發(fā)揮通道的作用IBM390，沿用了輸入輸出通道概IBM198（稱為FICON），可通過FICON連接多達(dá)127個(gè)大容量I/O設(shè)備。傳輸速度是33MHzs1GH／s。 緩沖技術(shù)的目的是為了提高處理機(jī)與外設(shè)的并計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的各種設(shè)備(包括處理機(jī))的運(yùn)行速度差異甚大，CPU的運(yùn)行速度是以微秒甚至以納秒計(jì)，而設(shè)備的運(yùn)行速度則是以毫秒甚至以秒計(jì)；（速度的差異另一方面系統(tǒng)的負(fù)荷也不均勻，有時(shí)處理機(jī)進(jìn)行大量的計(jì)算工作，沒有I/O操作，有時(shí)又會(huì)進(jìn)行大量的I/O操作，這兩個(gè)都會(huì)造成系統(tǒng)中的一些設(shè)備過于繁忙，一部分設(shè)備過于空閑，嚴(yán)重地影響為此人們提出用緩沖技術(shù)來匹配CPU速度的差異和負(fù)荷的不均勻，從而提高處理機(jī)與外設(shè)的并行程度。凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。緩沖技術(shù)可以用硬件緩沖器來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)備控制器中有硬件緩沖器，通常容量較小，一軟件緩沖技術(shù)是應(yīng)用廣泛的一種緩沖技術(shù)，它由緩沖區(qū)和對(duì)緩沖區(qū)的管理兩部分組成。常用的緩沖技1、單緩2、雙緩34、緩沖1、單緩沖最簡單的一種緩沖形式。當(dāng)進(jìn)程發(fā)出一I/求時(shí)，S為之分配一緩沖區(qū)。對(duì)于輸入：設(shè)備先將數(shù)據(jù)送入緩沖區(qū)，S再將數(shù)據(jù)傳給進(jìn)程。對(duì)于輸出：進(jìn)程先將數(shù)據(jù)傳入緩沖區(qū)，S再將數(shù)據(jù)送出到設(shè)備。傳傳I/O設(shè)2、雙緩沖技為了加快輸入輸出速度，引入雙緩沖技I/O3、環(huán)形緩當(dāng)生產(chǎn)和消費(fèi)數(shù)據(jù)的速度基本匹配時(shí)，雙緩沖能獲得較好效果。但若兩者速度相差甚遠(yuǎn)時(shí)，效果不太理想。但隨著緩沖區(qū)的數(shù)量增加，使情況有所改善。因此引入環(huán)形緩沖技術(shù)。環(huán)形緩沖技術(shù)是在主存中分配一組大小相等的區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū) 起來。這樣若系統(tǒng)可循環(huán)使用這些緩沖區(qū)。環(huán)形緩沖區(qū)用于輸入(輸出)時(shí)，還要有兩個(gè)指針I(yè)N和OUT4、緩環(huán)形緩沖區(qū)一般用于特定的進(jìn)程，屬于 緩沖區(qū)，當(dāng)系統(tǒng)較大時(shí)，將會(huì)有許多這樣的環(huán)形緩沖區(qū)，這為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛流行公用緩沖緩沖內(nèi)存中一組大小相等的緩沖區(qū)組成，池中各緩沖區(qū)的大小與用于I/O的設(shè)備的基本信息單位I/O軟設(shè)備驅(qū)動(dòng)程一、I/O中斷處理程恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)二、設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序包括與設(shè)備相關(guān)的代碼，其工作是：把用戶提交的邏輯I/O請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為物理I/O操作的啟動(dòng)和執(zhí)行，如設(shè)備名轉(zhuǎn)化為端口地址、邏輯記錄轉(zhuǎn)化為物理記錄、邏輯操作轉(zhuǎn)化為物理操作等。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序從與設(shè)備無關(guān)的軟件中接收抽象的I/O請(qǐng)求。一條典型的請(qǐng)求是讀第n塊。如果請(qǐng)求到來時(shí)驅(qū)動(dòng)程序空閑，則立即執(zhí)行。如果它正在處理另一條請(qǐng)求，它將該請(qǐng)求掛設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要功能)設(shè)備初始化)執(zhí)行設(shè)備驅(qū)動(dòng)例程)執(zhí)行中斷處理例程三、獨(dú)立于設(shè)備的I/O軟設(shè)備無關(guān)軟件完成的功能設(shè)備命設(shè)備保提供與設(shè)備無關(guān)的塊尺緩沖技設(shè)備分配和狀錯(cuò)誤處理和報(bào)四、用戶空間的I/O軟庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)的I/O系統(tǒng)調(diào)用非庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)I/O系統(tǒng)調(diào)用spooling系I/O系統(tǒng)各層軟件及I/O應(yīng)層 I/OI/O應(yīng)硬中斷處理硬中斷處理程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程獨(dú)立于設(shè)備的軟用戶進(jìn)I/O請(qǐng)命名；保護(hù)；阻塞；緩沖；分配設(shè)備寄存器置初值；啟動(dòng)I/O操作檢查狀處理I/O中斷；報(bào)告錯(cuò)誤；喚醒驅(qū)程執(zhí)行I/O操磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)磁盤容量大，存取速度快，可隨機(jī)存取,前存放大量程序和數(shù)據(jù)的理想設(shè)備.算機(jī)系統(tǒng)中，都配置了磁盤器。本節(jié)介紹 一、磁盤的物理結(jié)扇210磁分為上下兩 面每面分為若干磁道，由外向 每條磁道又分為若干扇區(qū)硬將多個(gè)磁盤片疊裝在主軸上形成一個(gè)盤硬盤一般分為固定頭磁盤和移動(dòng)頭磁盤 主目前，個(gè)人計(jì)算機(jī)中的硬盤都是移動(dòng)頭磁盤移動(dòng)頭硬盤結(jié)構(gòu)示意扇 主磁 磁盤片安裝在一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的主軸上。磁頭安裝在磁臂上，磁臂可沿磁盤半徑方向移動(dòng)。要在磁 問一個(gè)扇區(qū)，必須給出其柱面號(hào)、磁頭號(hào)和區(qū)號(hào)，這稱為扇二、磁 時(shí)間磁盤過尋道時(shí)間s：啟動(dòng)磁臂的時(shí)間，約 n：尋道m(xù)：常數(shù)，與磁盤驅(qū)動(dòng)器速度有關(guān)，一般磁盤m＝0.2，高速磁盤Ts大約幾ms到幾十旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間Tr(平均 r——磁盤轉(zhuǎn)5400轉(zhuǎn)/分平均旋轉(zhuǎn)延遲5.55ms；7200轉(zhuǎn)/分:4.16ms３.傳輸時(shí)間磁 時(shí)間Ta＝Ts+Tr+Tt（其中Ts約占如何提高磁盤的數(shù) 速度 入手：數(shù)據(jù)的合理組織、磁盤的調(diào)度算法。三、磁盤調(diào)度算當(dāng)多個(gè)磁盤請(qǐng)求在等待時(shí)，采用一定的策略，對(duì)這些請(qǐng)求的服務(wù)順序安排，旨在降低平均磁盤服務(wù)時(shí)間，達(dá)到公平、高效。先來先服務(wù)按進(jìn)程請(qǐng) 磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度例：磁 序列磁頭目前位磁頭服務(wù)序總尋道數(shù)缺點(diǎn)：尋道性能差使磁頭反復(fù)移動(dòng)，對(duì)機(jī)械也不利最短尋道時(shí)間優(yōu)先 例：磁 序列磁頭目前位磁頭服務(wù)序總尋道數(shù)優(yōu)點(diǎn)：尋道性能較好 電梯算法調(diào)既考慮了距離，同時(shí)又考慮了磁頭移動(dòng)方向選擇沿磁頭移動(dòng)方向最近的 請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)，然后判斷該方向上是否還有 請(qǐng)求，如果有則繼續(xù)服務(wù)；否則改變磁頭移動(dòng)方向，處理遇到的最近的 請(qǐng)求，如此反復(fù)。（類似電梯的調(diào)度規(guī)則尋道性能較好，消除了饑餓現(xiàn)象例：磁 序列磁頭目前位總尋道數(shù)掃描算法磁頭沿一個(gè)方向移動(dòng)，掃過所有磁道，遇到最近的請(qǐng)求便進(jìn)行處理，直到最后一個(gè)磁道后，再向相反的方向移動(dòng)回來，遇到訪問請(qǐng)求，進(jìn)行處理。循環(huán)掃描算法當(dāng)磁盤請(qǐng)求對(duì)磁道的分布是均勻的情況下，磁頭回頭時(shí)，靠近磁頭端的請(qǐng)求很少（因?yàn)榇蓬^剛經(jīng)過），而遠(yuǎn)端請(qǐng)求較多，這些請(qǐng)求等待時(shí)間要長一些。循環(huán)掃描算法能克服這個(gè)缺點(diǎn)。磁頭總是從號(hào)磁道開始到最大號(hào)磁道順序掃描，遇到 請(qǐng)求，進(jìn)行處理，當(dāng)磁頭到達(dá)最后一個(gè)磁道后，立即快速返回到0號(hào)柱面返回時(shí)不在提供服務(wù)。例：磁 序列磁頭目前位6.N-Steps-Scan和FSCAN算個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程對(duì)某一磁道有較高的頻率時(shí)，即進(jìn)程反復(fù)請(qǐng)求對(duì)某一磁道的，造成磁頭的“不 設(shè)備分一、設(shè)備分配2.動(dòng)態(tài)分這種2.動(dòng)態(tài)分這種分配方法是在作這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備的利用率高，缺點(diǎn)是系二、設(shè)備分配先請(qǐng)求先優(yōu)先級(jí)高的優(yōu)先服三、設(shè)備分配的安全對(duì)于獨(dú)占設(shè)備，采用動(dòng)態(tài)分配有可能造成死鎖四、虛擬設(shè)為提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率，提出了在高速共享設(shè)備1.SPOOLing系假脫機(jī)I/O技術(shù)或虛擬設(shè)備技術(shù)。SPOOLing全稱是SimultaneousPeripheralOperationOnLine外部設(shè)備同時(shí)聯(lián)機(jī)操作。脫機(jī)I/O示意讀卡 機(jī) 磁磁 主機(jī) 磁磁 SPOOLing系統(tǒng)的組磁磁預(yù)輸入進(jìn)程SPi緩輸出進(jìn)程輸設(shè)輸設(shè)輸出輸入輸出緩沖區(qū)輸入緩沖區(qū)輸入井和輸輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖預(yù)輸入進(jìn)程和緩輸出進(jìn)輸入井和輸 輸入井和輸出井分別用于收容從輸入設(shè)備輸入的數(shù)“井”是用作緩沖的區(qū)域，采用井的技術(shù)能調(diào)節(jié)供求之間的，消除人工干預(yù)帶來的損失。這時(shí)的輸入井和輸出井可分別看作是對(duì)讀卡機(jī)和打印輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖這是供信息在I/O設(shè)