1、第五章 設(shè) 備 管 理,5.1 I/O系統(tǒng) 5.2 I/O控制方式 5.3 緩沖管理 5.4 I/O軟件 5.5 設(shè)備分配 5.6 磁盤存儲器的管理,1I/O設(shè)備的重要的性能指標(biāo),I/O設(shè)備的類型繁多，從OS觀點看，其重要的性能指標(biāo)有: 設(shè)備使用特性 數(shù)據(jù)傳輸速率 數(shù)據(jù)的傳輸單位 設(shè)備共享屬性等,2. 按設(shè)備的使用特性分類,按設(shè)備的使用特性，可將設(shè)備分為兩類。 第一類是存儲設(shè)備， 第二類就是輸入/輸出設(shè)備，又具體可分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和交互式設(shè)備。,3. 按傳輸速率分類,按傳輸速度的高低，可將I/O設(shè)備分為三類。 第一類是低速設(shè)備， 第二類是中速設(shè)備， 第三類是高速設(shè)備。,4. 按信息交換的

2、單位分類,按信息交換的單位，可將I/O設(shè)備分成兩類。 第一類是塊設(shè)備(Block Device)， 第二類是字符設(shè)備(Character Device)。,5. 按設(shè)備的共享屬性分類,這種分類方式可將I/O設(shè)備分為如下三類： (1) 獨(dú)占設(shè)備。 (2) 共享設(shè)備。 (3) 虛擬設(shè)備。,6設(shè)備控制器的基本功能,1) 接收和識別命令 2) 數(shù)據(jù)交換：這是指實現(xiàn)CPU與控制器、控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。 3) 標(biāo)識和報告設(shè)備的狀態(tài) 4) 地址識別：設(shè)備控制器必須能夠識別它所控制的每個設(shè)備的地址。 5) 數(shù)據(jù)緩沖： 在輸出時，用此緩沖器暫存由主機(jī)高速傳來的數(shù)據(jù)，然后才以I/O設(shè)備所具有的速率將緩沖器

3、中的數(shù)據(jù)傳送給I/O設(shè)備； 在輸入時，緩沖器則用于暫存從I/O設(shè)備送來的數(shù)據(jù)，待接收到一批數(shù)據(jù)后，再將緩沖器中的數(shù)據(jù)高速地傳送給主機(jī)。 6) 差錯控制：對由I/O設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行差錯檢測。若發(fā)現(xiàn)傳送中出現(xiàn)了錯誤，通常是將差錯檢測碼置位，并向CPU報告，于是CPU將本次傳送來的數(shù)據(jù)作廢，并重新進(jìn)行一次傳送。這樣便可保證數(shù)據(jù)輸入的正確性。,7I/O通道(I/O Channel)設(shè)備的引入目的,雖然在CPU與I/O設(shè)備之間增加了設(shè)備控制器后，已能大大減少CPU對I/O的干預(yù)，但當(dāng)主機(jī)所配置的外設(shè)很多時，CPU的負(fù)擔(dān)仍然很重。 為此，在CPU和設(shè)備控制器之間又增設(shè)了通道。其主要目的是 為了建立獨(dú)立

4、的I/O操作，不僅使數(shù)據(jù)的傳送能獨(dú)立于CPU，而且也希望有關(guān)對I/O操作的組織、 管理及其結(jié)束處理盡量獨(dú)立，以保證CPU有更多的時間去進(jìn)行數(shù)據(jù)處理； 或者說，其目的是使一些原來由CPU處理的I/O任務(wù)轉(zhuǎn)由通道來承擔(dān)，從而把CPU從繁雜的I/O任務(wù)中解脫出來。,8. 通道的分類,按照信息交換方式不同，一個系統(tǒng)中可設(shè)立三種類型的通道： 字節(jié)多路通道 數(shù)組選擇通道 數(shù)組多路通道,以字節(jié)為單位交叉地傳送數(shù)據(jù)，它主要用來連接大量的低速設(shè)備，如終端、打印機(jī)等。 可連接多個子通道，同時控制多臺設(shè)備。,以數(shù)據(jù)塊為單位成批傳送數(shù)據(jù)，每次傳送一批數(shù)據(jù)，但一次只能控制一臺設(shè)備進(jìn)行I/O操作。 具有傳送速度高的特點，

5、因而被用來連接磁盤機(jī)等高速外部設(shè)備。可連接多多臺設(shè)備。 當(dāng)完成一臺設(shè)備的I/O操作后再選擇另一臺設(shè)備。,以塊為單位傳送數(shù)據(jù)，它具有傳送速率高和能分時操作不同的設(shè)備等優(yōu)點，是字節(jié)多路通道和選擇通道的綜合。 數(shù)組多路通道主要用來連接中速塊設(shè)備，如磁帶機(jī)等。,9. I/O控制方式,程序I/O方式：無中斷機(jī)構(gòu)，處理機(jī)對I/O設(shè)備的控制采取直接控制。 中斷驅(qū)動I/O控制方式：即當(dāng)某進(jìn)程要啟動某個I/O設(shè)備工作時，便由CPU向相應(yīng)的設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O命令，然后立即返回繼續(xù)執(zhí)行原來的任務(wù)。設(shè)備控制器于是按照該命令的要求去控制指定I/O設(shè)備。此時，CPU與I/O設(shè)備并行操作。 直接存儲器訪問(DMA)I

6、/O控制方式： (1) 數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊，即在CPU與I/O設(shè)備之間，每次傳送至少一個數(shù)據(jù)塊； (2) 所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備直接送入內(nèi)存的，或者相反； (3) 僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需CPU干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在控制器的控制下完成的。 I/O通道控制方式 I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進(jìn)一步減少CPU的干預(yù)，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)減少為對一組數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?及有關(guān)的控制和管理為單位的干預(yù)。 同時，又可實現(xiàn)CPU、通道和I/O設(shè)備三者的并行操作，從而更有效地提高整個系統(tǒng)的資源利用率。,10. 緩沖的引入,(1) 緩和CPU與I/O設(shè)備間

7、速度不匹配的矛盾。 (2) 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的限制。 (3) 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。,11. 緩沖池的組成,對于既可用于輸入又可用于輸出的公用緩沖池，其中至少應(yīng)含有以下三種類型的緩沖區(qū): 空(閑)緩沖區(qū)； 裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)； 裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。,12緩沖區(qū)的工作方式,緩沖區(qū)可以工作在四種工作方式下 收容輸入 提取輸入 收容輸出 提取輸出,13 .I/O軟件應(yīng)達(dá)到下面的幾個目標(biāo),具體而言，I/O軟件應(yīng)達(dá)到下面的幾個目標(biāo)： 1) 與具體設(shè)備無關(guān) 2) 統(tǒng)一命名:系統(tǒng)中對各類設(shè)備采取預(yù)先設(shè)計的、統(tǒng)一的邏輯名稱進(jìn)行命名，所有軟件都以邏輯名稱訪問設(shè)備

8、。 3) 對錯誤的處理:對于錯誤的處理，應(yīng)該盡可能在接近硬件的層面處理，在低層軟件能夠解決的錯誤就不讓高層軟件感知，只有低層軟件解決不了的錯誤才通知高層軟件解決。 4) 緩沖技術(shù) 5) 設(shè)備的分配和釋放 6) I/O控制方式,14.I/O軟件各層次及其功能,各層次及其功能如下所述： (1) 用戶層軟件：實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的、與I/O操作有關(guān)的庫函數(shù)，對設(shè)備進(jìn)行操作。 (2) 設(shè)備獨(dú)立性軟件：負(fù)責(zé)實現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動器的統(tǒng)一接口、設(shè)備命名、設(shè)備的保護(hù)以及設(shè)備的分配與釋放等，同時為設(shè)備管理和數(shù)據(jù)傳送提供必要的存儲空間。 (3) 設(shè)備驅(qū)動程序：與硬件直接相關(guān)，負(fù)責(zé)具體實現(xiàn)系統(tǒng)

9、對設(shè)備發(fā)出的操作指令，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序。 (4) 中斷處理程序：用于保存被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理，處理完后再恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場后返回到被中斷進(jìn)程。,圖5-16 I/O系統(tǒng)的層次及功能,15獨(dú)占設(shè)備的分配程序,1) 分配設(shè)備 首先根據(jù)I/O請求中的物理設(shè)備名，查找系統(tǒng)設(shè)備表(SDT)，從中找出該設(shè)備的DCT， 再根據(jù)DCT中的設(shè)備狀態(tài)字段，可知該設(shè)備是否正忙。 若忙，便將請求I/O進(jìn)程的PCB掛在設(shè)備隊列上； 否則，便按照一定的算法來計算本次設(shè)備分配的安全性。如果不會導(dǎo)致系統(tǒng)進(jìn)入不安全狀態(tài)，便將設(shè)備分配給請求進(jìn)程；否則，仍將其PCB插入設(shè)備等待隊列。,

10、2) 分配控制器 在系統(tǒng)把設(shè)備分配給請求I/O的進(jìn)程后，再到其DCT中找出與該設(shè)備連接的控制器的COCT，從COCT的狀態(tài)字段中可知該控制器是否忙碌。 若忙，便將請求I/O進(jìn)程的PCB掛在該控制器的等待隊列上；否則， 便將該控制器分配給進(jìn)程。 3) 分配通道 在該COCT中又可找到與該控制器連接的通道的CHCT，再根據(jù)CHCT內(nèi)的狀態(tài)信息，可知該通道是否忙碌。 若忙，便將請求I/O的進(jìn)程掛在該通道的等待隊列上； 否則，將該通道分配給進(jìn)程。只有在設(shè)備、 控制器和通道三者都分配成功時，這次的設(shè)備分配才算成功。然后，便可啟動該I/O設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。,16. SPOOLing技術(shù),在主機(jī)的直接控制下

11、，實現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進(jìn)行，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On Line)，或稱為假脫機(jī)操作。,打印機(jī)是經(jīng)常要用到的輸出設(shè)備，屬于獨(dú)占設(shè)備。 以UNIX管理I/O設(shè)備為例，打印機(jī)可以看成是一個特殊文件，任意一個進(jìn)程打開打印機(jī)的特殊文件很容易做到，只需按照規(guī)定格式使用open系統(tǒng)調(diào)用即可；但是假若一個進(jìn)程在打開打印機(jī)特殊文件以后的幾個小時內(nèi)無所事事會出現(xiàn)什么情況呢？,17共享打印機(jī)Spooling技術(shù)應(yīng)用,利用SPOOLing技術(shù)，可將獨(dú)占設(shè)備的打印機(jī)改

12、造為一臺可供多個用戶共享的設(shè)備，從而提高設(shè)備的利用率，也方便了用戶。共享打印機(jī)技術(shù)已被廣泛地用于多用戶系統(tǒng)和局域網(wǎng)絡(luò)中。 當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時，SPOOLing系統(tǒng)同意為它打印輸出，但并不真正立即把打印機(jī)分配給該用戶進(jìn)程，而只為它做兩件事： 由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個空閑磁盤塊區(qū)，并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中； 輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表，并將用戶的打印要求填入其中，再將該表掛到請求打印隊列上。 如果還有進(jìn)程要求打印輸出，系統(tǒng)仍可接受該請求，也同樣為該進(jìn)程做上述兩件事。,如果打印機(jī)空閑， 輸出進(jìn)程將從請求打印隊列的隊首取出一張請求打印表， 根據(jù)表中的要求將要打印的數(shù)

13、據(jù)，從輸出井傳送到內(nèi)存緩沖區(qū)， 再由打印機(jī)進(jìn)行打印。 打印完后，輸出進(jìn)程再查看請求打印隊列中是否還有等待打印的請求表。 若有，又取出隊列中的第一張表，并根據(jù)其中的要求進(jìn)行打印，如此下去，直至請求打印隊列為空，輸出進(jìn)程才將自己阻塞起來。僅當(dāng)下次再有打印請求時，輸出進(jìn)程才被喚醒。,18SPOOLing系統(tǒng)的特點,(1) 提高了I/O的速度。這里，對數(shù)據(jù)所進(jìn)行的I/O操作，已從對低速I/O設(shè)備進(jìn)行的I/O操作，演變?yōu)閷斎刖蜉敵鼍袛?shù)據(jù)的存取，如同脫機(jī)輸入輸出一樣，提高了I/O速度，緩和了CPU與低速I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。 (2) 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。因為在SPOOLing系統(tǒng)中，

14、實際上并沒為任何進(jìn)程分配設(shè)備，而只是在輸入井或輸出井中為進(jìn)程分配一個存儲區(qū)和建立一張I/O請求表。這樣，便把獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。 (3) 實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。宏觀上，雖然是多個進(jìn)程在同時使用一臺獨(dú)占設(shè)備，而對于每一個進(jìn)程而言，他們都會認(rèn)為自己是獨(dú)占了一個設(shè)備。當(dāng)然，該設(shè)備只是邏輯上的設(shè)備。SPOOLing系統(tǒng)實現(xiàn)了將獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺對應(yīng)的邏輯設(shè)備的功能。,19磁盤訪問時間,尋道（時間）：磁頭移動定位到指定磁道 旋轉(zhuǎn)延遲（時間）：等待指定扇區(qū)從磁頭下旋轉(zhuǎn)經(jīng)過 數(shù)據(jù)傳輸（時間）：數(shù)據(jù)在磁盤與內(nèi)存之間的實際傳輸,可見，適當(dāng)?shù)丶袛?shù)據(jù)(不要太零散)傳輸，將有利于提高傳輸效率。,19.磁盤調(diào)度,

15、1先來先服務(wù)(FCFS，F(xiàn)irst Come First Served) 2最短尋道時間優(yōu)先(SSTF，Shortest Seek Time First) 3掃描(SCAN)算法 4循環(huán)掃描(CSCAN)算法 5NStepSCAN和FSCAN調(diào)度算法,1先來先服務(wù)(FCFS，F(xiàn)irst Come First Served),這是一種最簡單的磁盤調(diào)度算法。它根據(jù)進(jìn)程請求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。 例如：有9個進(jìn)程先后提出磁盤I/O請求時，從100磁道開始，進(jìn)程號(請求者)按他們發(fā)出請求的先后次序如下：55，58，39，18，90，160，150，38，184,圖5-25 FCFS調(diào)度算法,圖5

16、-25示出了有9個進(jìn)程先后提出磁盤I/O請求時，按FCFS算法進(jìn)行調(diào)度的情況。這里將進(jìn)程號(請求者)按他們發(fā)出請求的先后次序排隊。這樣，平均尋道距離為55.3條磁道， 與后面即將講到的幾種調(diào)度算法相比，其平均尋道距離較大，故FCFS算法僅適用于請求磁盤I/O的進(jìn)程數(shù)目較少的場合。,先來先服務(wù),此算法的優(yōu)點是 公平、簡單，且每個進(jìn)程的請求都能依次地得到處理，不會出現(xiàn)某一進(jìn)程的請求長期得不到滿足的情況。 此算法的缺點是 但此算法由于未對尋道進(jìn)行優(yōu)化，致使平均尋道時間可能較長。,2最短尋道時間優(yōu)先(SSTF，Shortest Seek Time First),該算法選擇這樣的進(jìn)程：其要求訪問的磁道與

17、當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近，以使每次的尋道時間最短。 例如：有9個進(jìn)程先后提出磁盤I/O請求時，從100磁道開始，進(jìn)程號(請求者)按他們發(fā)出請求的先后次序如下：55，58，39，18，90，160，150，38，184 但這種算法不能保證平均尋道時間最短。 比較圖5-25和圖5-26可以看出，SSTF算法的平均每次磁頭移動距離明顯低于FCFS的距離，因而SSTF較之FCFS有更好的尋道性能，故過去曾一度被廣泛采用。,圖5-26 SSTF調(diào)度算法,3掃描(SCAN)算法,1) 進(jìn)程“饑餓”現(xiàn)象 SSTF算法雖然能獲得較好的尋道性能，但卻可能導(dǎo)致某個進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象。因

18、為只要不斷有新進(jìn)程的請求到達(dá)，且其所要訪問的磁道與磁頭當(dāng)前所在磁道的距離較近，這種新進(jìn)程的I/O請求必然優(yōu)先滿足。 對SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老進(jìn)程出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。,2) SCAN算法,該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道間的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭當(dāng)前的移動方向。 例如，當(dāng)磁頭正在自里向外移動時，SCAN算法所考慮的下一個訪問對象，應(yīng)是其欲訪問的磁道既在當(dāng)前磁道之外，又是距離最近的。這樣自里向外地訪問，直至再無更外的磁道需要訪問時，才將磁臂換向為自外向里移動。這時，同樣也是每次選擇這樣的進(jìn)程來調(diào)度，即要訪問的磁道在當(dāng)前位置內(nèi)距離最近者，這樣，磁頭又逐步地從外向里移動，直至再無更里面的磁道要訪問，從而避免了出現(xiàn)“饑餓”現(xiàn)象。 由于在這種算法中磁頭移動的規(guī)律頗似電梯的運(yùn)行，因而又常稱之為電梯調(diào)度算法。,例如：有9個進(jìn)程先后提出磁盤I/O請求時，從100磁道開始，按磁道號增加方向訪問，進(jìn)程號(請求者)按他們發(fā)