1、1,第四章 設(shè)備管理,2,本章要點(diǎn),設(shè)備管理的主要功能、模型 I/O子系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu) 設(shè)備的控制、I/O控制 設(shè)備的類型 設(shè)備分配 I/O緩沖技術(shù) 虛擬設(shè)備與SPOOLing系統(tǒng) 磁盤設(shè)備的管理,3,4.1 設(shè)備管理概述,4,設(shè)備管理的主要功能,設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理,5,設(shè)備分配,多道程序系統(tǒng)中的設(shè)備不允許用戶直接使用，而是由操作系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度和控制。 設(shè)備分配功能是設(shè)備管理的基本任務(wù)。 設(shè)備分配程序按照一定的策略，為申請?jiān)O(shè)備的用戶進(jìn)程分配設(shè)備，記錄設(shè)備的使用情況,6,設(shè)備管理的主要功能,設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理,7,設(shè)備映射,為了提高應(yīng)用軟

2、件對運(yùn)行平臺(tái)的適應(yīng)能力，方便實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件I/O重定向，大多數(shù)現(xiàn)代操作系統(tǒng)均支持應(yīng)用軟件對設(shè)備的無關(guān)性，即通常所說的設(shè)備無關(guān)性，或者設(shè)備獨(dú)立性。 設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用軟件所引用的、用于實(shí)現(xiàn)I/O操作的設(shè)備與物理I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備沒有固定的聯(lián)系。,8,設(shè)備映射,邏輯設(shè)備和物理設(shè)備 邏輯設(shè)備是指，應(yīng)用軟件所引用的用于實(shí)現(xiàn)I/O操作的設(shè)備。 物理設(shè)備則指，物理I/O系統(tǒng)中實(shí)際安裝的設(shè)備。 從應(yīng)用軟件的角度看，邏輯設(shè)備是一類物理設(shè)備的抽象。從操作系統(tǒng)設(shè)備管理程序的角度看，物理設(shè)備則是某種邏輯設(shè)備的實(shí)例。,9,設(shè)備映射,如果某系統(tǒng)支持設(shè)備無關(guān)性，那么該系統(tǒng)中應(yīng)用軟件所引用的邏輯設(shè)備與實(shí)際安裝的物理設(shè)備

3、沒有固定的聯(lián)系。 事實(shí)上，在應(yīng)用軟件運(yùn)行期間，操作系統(tǒng)的設(shè)備管理程序必須將該應(yīng)用軟件對邏輯設(shè)備的引用轉(zhuǎn)換成對相關(guān)物理設(shè)備的引用。 設(shè)備管理的這種功能稱為邏輯設(shè)備到物理設(shè)備的映射功能，簡稱設(shè)備映射功能。,10,設(shè)備管理的主要功能,設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理,11,設(shè)備驅(qū)動(dòng),又稱設(shè)備處理，指對物理設(shè)備進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)真正的I/O操作。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)的主要任務(wù)是：接收上層軟件發(fā)來的抽象服務(wù)請求，例如讀/寫命令，再把它轉(zhuǎn)換為具體要求，通過一系列的I/O指令，控制設(shè)備完成請求的操作；同時(shí)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序還將設(shè)備發(fā)來的有關(guān)信號(hào)傳送給上層軟件，例如設(shè)備是否已損壞等。,12,設(shè)備驅(qū)動(dòng),設(shè)備驅(qū)動(dòng)

4、程序與硬件密切相關(guān)，應(yīng)為每一類設(shè)備配置一種驅(qū)動(dòng)程序。 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般由設(shè)備開發(fā)廠商根據(jù)操作系統(tǒng)的要求組織編寫，操作系統(tǒng)僅對與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口提出要求，一般不負(fù)責(zé)具體設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的編寫。 有時(shí)候，某些硬件無法在某種操作系統(tǒng)中使用，原因很可能就是沒有專門的或通用的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，或者設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)有問題，使得設(shè)備無法正常工作。,13,設(shè)備管理的主要功能,設(shè)備分配 設(shè)備映射 設(shè)備驅(qū)動(dòng) I/O緩沖區(qū)的管理,14,I/O緩沖區(qū)的管理,為了緩和處理機(jī)與外部設(shè)備間速度不匹配的矛盾，提高處理機(jī)和外部設(shè)備間的并行性，現(xiàn)代操作系統(tǒng)大都在設(shè)備管理部分引入了緩沖技術(shù)。 通常，緩沖區(qū)是指內(nèi)存中的若干區(qū)域，用于緩存進(jìn)程與

5、外部設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。又稱為I/O緩沖區(qū)。 I/O緩沖區(qū)管理的任務(wù)是：組織I/O緩沖區(qū)，并為使用者提供獲得和釋放I/O緩沖區(qū)的手段。,15,通用設(shè)備管理分層模型,將設(shè)備管理功能模塊分為設(shè)備硬件無關(guān)以及設(shè)備硬件相關(guān)兩個(gè)層次。 設(shè)備硬件無關(guān)層主要實(shí)現(xiàn)：I/O緩沖區(qū)管理以及設(shè)備映射功能。該層與設(shè)備用法有關(guān)，與設(shè)備硬件無關(guān)。 一般地，根據(jù)設(shè)備的用法，該層也可視作虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)、文件系統(tǒng)或通信系統(tǒng)的一部分。,16,通用設(shè)備管理分層模型,設(shè)備硬件相關(guān)層將設(shè)備硬件無關(guān)層與設(shè)備硬件隔離開來。 從設(shè)備硬件無關(guān)層的角度看，設(shè)備硬件相關(guān)層為其提供了一個(gè)相對簡潔的I/O功能接口；該接口屏蔽了設(shè)備硬件復(fù)雜的操作細(xì)節(jié)。 從

6、設(shè)備硬件相關(guān)層的內(nèi)部看，該層主要實(shí)現(xiàn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。毫無疑問，該層與設(shè)備硬件密切相關(guān)。,17,通用設(shè)備管理分層模型,18,支持中斷的設(shè)備管理模型,19,4.2 計(jì)算機(jī)I/O子系統(tǒng)的組成,20,總線型I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),21,通道型I/O系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),22,具有控制器的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的設(shè)備 = 機(jī)械部分 + 電子部分 電子部分在系統(tǒng)的控制下驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分運(yùn)轉(zhuǎn)，完成I/O操作。 由于設(shè)備中電子部分比機(jī)械部分的速度快得多。為了降低硬件成本，將電子部分從設(shè)備中分離出來作為一個(gè)獨(dú)立的部件，這就是控制器。 分離之后的設(shè)備僅由機(jī)械部分構(gòu)成，一個(gè)控制器可與多個(gè)設(shè)備相連，交替地或分時(shí)地控制與其相連的設(shè)備。例如，磁

7、盤控制器可以控制多個(gè)磁盤驅(qū)動(dòng)器。,23,具有控制器的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu),24,設(shè)備的控制設(shè)備的尋址與操作,從處理機(jī)的角度看，各種外部設(shè)備可以看作是由一組設(shè)備寄存器組成的。 常見的設(shè)備寄存器有：操作方式寄存器、命令寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器等。 為了使CPU能夠?qū)ぶ愤@些設(shè)備寄存器，硬件平臺(tái)引入了I/O端口地址的概念。,25,設(shè)備的控制設(shè)備的尋址與操作,I/O端口地址的編址方式有兩種： （1）將設(shè)備寄存器與內(nèi)存物理單元統(tǒng)一編址； （2）獨(dú)立于內(nèi)存物理地址為設(shè)備寄存器編址。 無論一個(gè)設(shè)備是否由多個(gè)控制器控制，或者一個(gè)控制器控制了多少個(gè)設(shè)備，每一個(gè)設(shè)備都能通過這些寄存器的地址唯一確定。,26,設(shè)備的控

8、制即插即用,隨著外部設(shè)備種類增加，設(shè)備間極可能發(fā)生沖突。即，設(shè)備使用的中斷號(hào)、DMA、內(nèi)存地址、端口地址可能因相同或重疊而導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作。 手工調(diào)整這些設(shè)備的相關(guān)參數(shù)要求用戶具有較多的計(jì)算機(jī)硬件知識(shí)，并對系統(tǒng)配置的硬件有較全面的了解。,27,設(shè)備的控制即插即用,顧名思義是指，插上了就可使用，不需要用戶進(jìn)行其它設(shè)置。 “即插即用”技術(shù)取消了跳線和軟件配置程序，當(dāng)用戶插入一個(gè)“即插即用”適配卡或設(shè)備時(shí)，“即插即用”功能就可以自動(dòng)進(jìn)行檢測，配置相應(yīng)的接口參數(shù)，并安裝相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。,28,設(shè)備的控制即插即用,對已安裝硬件的自動(dòng)和動(dòng)態(tài)識(shí)別 包括系統(tǒng)初始安裝時(shí)、兩次系統(tǒng)啟動(dòng)之間以及運(yùn)行時(shí)發(fā)生的硬件

9、事件（如筆記本的對接/分離以及設(shè)備的插入/拔出）的響應(yīng)； 配合操作系統(tǒng)分配/再分配硬件資源 加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。 當(dāng)系統(tǒng)中加入新設(shè)備時(shí)，如果操作系統(tǒng)中沒有集成相應(yīng)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序，則會(huì)要求用戶指定驅(qū)動(dòng)程序的位置并完成驅(qū)動(dòng)程序的安裝。,29,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般由設(shè)備制造商提供，不包含在操作系統(tǒng)中。 但是，為了方便用戶，操作系統(tǒng)軟件包中通常會(huì)集成提供標(biāo)準(zhǔn)的、通用的或者流行的、常用設(shè)備廠商的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序供用戶選擇。 從系統(tǒng)分層的觀點(diǎn)來講，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以是操作系統(tǒng)的一部分，也可以被認(rèn)為是硬件設(shè)備的一部分。,30,I/O控制方式程序I/O方式,在早期的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，由于沒有中斷裝置，處理機(jī)對

10、于I/O設(shè)備的控制采取程序I/O方式 也稱忙等待方式或循環(huán)測試方式。 對于讀操作，這種方式的基本工作過程為：,31,處理機(jī)向設(shè)備(或設(shè)備控制器)發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)設(shè)備、輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)將狀態(tài)寄存器中的“忙”標(biāo)志置為1。 處理機(jī)不斷地循環(huán)測試忙標(biāo)志，直到忙標(biāo)志變?yōu)?； 處理機(jī)通過I/O讀指令將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)寄存器中取出，送入內(nèi)存中指定單元； 若數(shù)據(jù)已讀完，則結(jié)束本過程，否則轉(zhuǎn)，繼續(xù)讀下一個(gè)數(shù)據(jù)。 在程序I/O方式中，由于處理機(jī)的速度非?？?，而設(shè)備的速度相對較慢，使得處理機(jī)的絕大部分時(shí)間都處于等待設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測試中，造成對CPU的極大浪費(fèi)。,32,I/O控制方式中斷I/O方式,對于讀操作

11、，中斷方式的基本工作過程為： 處理機(jī)向設(shè)備(或設(shè)備控制器)發(fā)出一條I/O指令，啟動(dòng)設(shè)備，輸入數(shù)據(jù)； 處理機(jī)完成其它工作，設(shè)備準(zhǔn)備數(shù)據(jù)； 當(dāng)設(shè)備準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)寄存器，向處理機(jī)發(fā)中斷信號(hào)，告之?dāng)?shù)據(jù)已準(zhǔn)備好； 處理機(jī)響應(yīng)中斷請求，從數(shù)據(jù)寄存器中將數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存的指定單元； 若數(shù)據(jù)已讀完，結(jié)束。否則，轉(zhuǎn)，繼續(xù)。 中斷方式控制I/O的優(yōu)點(diǎn)在于，設(shè)備與處理機(jī)并行，提高了處理機(jī)的利用率。性能優(yōu)于程序控制I/O方式。,33,I/O控制方式DMA方式,中斷I/O比程序I/O方式高效，但以字/字節(jié)為傳輸單位。每完成一個(gè)字/字節(jié)的傳輸，設(shè)備均要向CPU請求一次中斷。 對于塊設(shè)備而言，這種方式的效率還

12、是顯得有些低下。因?yàn)?，頻繁的、大量的中斷所累積的開銷很大。 為了進(jìn)一步減少處理機(jī)對I/O事務(wù)的干預(yù)，出現(xiàn)了 DMA（Direct Memory Access)直接存儲(chǔ)器訪問方式。,34,DMA的特點(diǎn),數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締挝皇菙?shù)據(jù)塊； 數(shù)據(jù)直接從設(shè)備送入內(nèi)存，或者直接從內(nèi)存送入設(shè)備； 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)，才需要處理機(jī)的干預(yù)。 與中斷方式相比，DMA方式大大減少了數(shù)據(jù)I/O對處理機(jī)的占用，進(jìn)一步提高了處理機(jī)的利用率，提高了處理機(jī)和I/O設(shè)備的并行操作能力。,35,I/O控制方式I/O通道方式,通道相當(dāng)于一個(gè)功能單純的處理機(jī)，專門用于處理I/O操作。通道有自己的運(yùn)控部件和指令系統(tǒng)，但

13、沒有專門的內(nèi)存，而是通過“周期竊用”方式與主機(jī)共享內(nèi)存。 通道通過執(zhí)行通道程序來完成I/O操作。 通道程序是通道指令的有序序列，它由系統(tǒng)中的輸入/輸出進(jìn)程根據(jù)用戶進(jìn)程的I/O要求來確定，可以是事先編制好的程序段，也可以動(dòng)態(tài)產(chǎn)生。通道程序以及需要與設(shè)備交換的數(shù)據(jù)均放置在內(nèi)存中。,36,I/O控制方式I/O通道方式,一條通道指令可以傳送一組數(shù)據(jù)，一個(gè)通道程序可以傳送多組數(shù)據(jù)。多組數(shù)據(jù)全部傳送完畢后(即一個(gè)通道程序執(zhí)行完畢)，才向處理機(jī)發(fā)出一次中斷。 通道不僅可以傳送數(shù)據(jù)，更重要的是它還完成對設(shè)備的控制。在通道的協(xié)助下，主機(jī)只需發(fā)出一個(gè)啟動(dòng)通道、執(zhí)行通道程序的指令即可。主機(jī)僅與通道直接通信，不必考慮

14、設(shè)備的具體控制以及如何完成數(shù)據(jù)傳送等問題，從而大大減輕了主機(jī)的負(fù)擔(dān)。,37,4.3 設(shè)備分類,38,設(shè)備類型,根據(jù)外部設(shè)備的用途不同，可以將其分為輸入/輸出型設(shè)備與存儲(chǔ)型設(shè)備； 根據(jù)外設(shè)傳輸?shù)幕緮?shù)據(jù)單位不同，可以將設(shè)備分為塊型設(shè)備與字符型設(shè)備； 按照資源管理的方式不同，可以將設(shè)備分為獨(dú)占型設(shè)備和共享型設(shè)備。,39,輸入/輸出型 VS 存儲(chǔ)型設(shè)備,輸入/輸出型設(shè)備：鍵盤、鼠標(biāo)、顯示器、讀卡機(jī)、掃描儀、打印機(jī)、繪圖儀、數(shù)碼相機(jī)等。 存儲(chǔ)型設(shè)備：磁帶機(jī)、磁鼓機(jī)、磁盤機(jī)等?？捎米鬏斎?，也可以用作輸出。主要用于長期保存信息，但需要管理其上的存儲(chǔ)空間。 可以在存儲(chǔ)設(shè)備上可以建立文件系統(tǒng)，有組織、有結(jié)構(gòu)地

15、長期存儲(chǔ)信息。,40,塊型設(shè)備 VS 字符型設(shè)備,塊型設(shè)備通常就是存儲(chǔ)型設(shè)備。這類設(shè)備由若干長度相同的塊構(gòu)成。 一塊的長度通常為2n個(gè)字節(jié)，如256B、512B、1024B等。對這類設(shè)備來說，塊是存儲(chǔ)分配的基本單位，也是I/O傳輸?shù)幕締挝弧?字符型設(shè)備通常就是輸入/輸出型設(shè)備。這類設(shè)備I/O傳輸?shù)幕締挝皇亲止?jié)。,41,獨(dú)占型 VS 共享型設(shè)備,獨(dú)占型設(shè)備包括所有的字符型設(shè)備及磁帶機(jī)。 任意時(shí)間段內(nèi)最多只能被一個(gè)進(jìn)程占用。 使用時(shí)，進(jìn)程首先向系統(tǒng)申請，可能進(jìn)入阻塞狀態(tài)。當(dāng)設(shè)備可用時(shí)，喚醒一個(gè)等待進(jìn)程。使用完畢以后，進(jìn)程必須釋放設(shè)備。 共享型設(shè)備包括除磁帶機(jī)以外的所有塊型設(shè)備。 I/O傳輸單位

16、：塊 宏觀上，一個(gè)共享型設(shè)備可以被多個(gè)進(jìn)程同時(shí)占用；微觀上，多個(gè)進(jìn)程交替使用同一設(shè)備。 進(jìn)程使用這類設(shè)備時(shí)，無須申請或釋放設(shè)備，也不存在某個(gè)進(jìn)程占用設(shè)備的問題。,42,4.4 設(shè)備分配,43,分配：設(shè)備、控制器和通道 需要記錄與他們相關(guān)的信息。包括：資源標(biāo)識(shí)、物理連接情況、占有進(jìn)程、等待進(jìn)程等。 具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以將其分為設(shè)備控制塊、控制器控制塊和通道控制塊。 這些控制塊中包含的信息在不同的系統(tǒng)中會(huì)有所不同,44,設(shè)備控制塊UCB(Unit Control Block),45,控制器控制塊CUCB,46,通道控制塊CCB,47,設(shè)備無關(guān)性,為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無關(guān)性，操作系統(tǒng)要求進(jìn)程申請?jiān)O(shè)備時(shí)，應(yīng)當(dāng)指

17、明所需設(shè)備的類別(或者邏輯設(shè)備名)，不能指定某一設(shè)備的具體編號(hào)。 系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)程的請求以及資源分配情況在相應(yīng)類別的設(shè)備中選擇一個(gè)空閑的物理設(shè)備，并將其分配給申請者。,48,優(yōu)點(diǎn),提高設(shè)備的利用率。從根本上講，申請者只關(guān)心使用設(shè)備的結(jié)果，不在乎到底使用哪一個(gè)設(shè)備。假設(shè)申請者指定具體設(shè)備，被指定的設(shè)備可能正在被使用，因而申請無法滿足。而此時(shí)，其他同類設(shè)備可能空閑。這將造成資源的浪費(fèi)和進(jìn)程的不必要等待； 程序與設(shè)備無關(guān)。假設(shè)申請者指定具體設(shè)備，而被指定的設(shè)備已損壞或未聯(lián)機(jī)，則要么程序無法正常工作，要么修改程序。,49,系統(tǒng)設(shè)備表SDT,根據(jù)上述實(shí)現(xiàn)要求，系統(tǒng)通常將相同類型設(shè)備的UCB記錄在一張表中，稱

18、作UCB表。 將邏輯設(shè)備名、設(shè)備數(shù)、設(shè)備等待隊(duì)列以及UCB表的起始地址登記在另一個(gè)表中，該表通常稱作系統(tǒng)設(shè)備表(SDT) ，如表4.7所示 。,50,51,設(shè)備分配算法,先來先服務(wù) 根據(jù)進(jìn)程對某設(shè)備提出請求的先后次序，將這些進(jìn)程排成一個(gè)設(shè)備請求隊(duì)列。設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給隊(duì)首的進(jìn)程。 優(yōu)先級高者優(yōu)先服務(wù) 根據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級的高低，將優(yōu)先級高的進(jìn)程排在設(shè)備等待隊(duì)列的前面。對于優(yōu)先級相同的進(jìn)程，則按先來先服務(wù)的原則進(jìn)行排隊(duì)，設(shè)備分配程序總是把設(shè)備分配給排在隊(duì)首的進(jìn)程。,52,獨(dú)占型設(shè)備的分配,進(jìn)程使用獨(dú)占設(shè)備的過程：申請、使用、釋放。 1 進(jìn)程申請?jiān)O(shè)備 2 系統(tǒng)分配設(shè)備 3 進(jìn)程發(fā)送使用命令 4 系統(tǒng)將轉(zhuǎn)到設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊