1、設(shè)備管理,設(shè)備管理的功能,把文件存放到存儲介質(zhì)上時(shí)，必須要對外圍設(shè)備進(jìn)行啟動(dòng)和控制，這部分功能由操作系統(tǒng)中的設(shè)備管理完成。,設(shè)備管理的功能,外圍設(shè)備的分類 存儲設(shè)備：磁盤機(jī)、磁帶機(jī) 輸入/輸出型設(shè)備：顯示器、輸入機(jī)、打印機(jī) 存儲型設(shè)備能使大量信息存儲到存儲介質(zhì)上，能做為主存的擴(kuò)充，也成為輔存。 輸入輸出型設(shè)備把外界的信息輸入到計(jì)算機(jī)，把運(yùn)算結(jié)果輸出。,設(shè)備管理的功能,主存和外設(shè)之間的信息傳送稱為輸入/輸出操作。 對存儲型設(shè)備，輸入/輸出操作的信息傳送單位為“塊”。 對輸入/輸出型設(shè)備，輸入/輸出操作的信息傳送單位為“字符”。,設(shè)備管理的功能,設(shè)備管理帶來的好處： 啟動(dòng)外設(shè)的事務(wù)不由用戶承擔(dān) 實(shí)

2、現(xiàn)外設(shè)的共享，提高設(shè)備的利用率 實(shí)現(xiàn)外設(shè)和其他計(jì)算機(jī)部件的并行操作，提高系統(tǒng)利用率 處理故障，防止用戶錯(cuò)誤的使用外設(shè)，提高系統(tǒng)可靠性和安全性,設(shè)備管理的功能,實(shí)現(xiàn)對外圍設(shè)備的分配和回收 實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的啟動(dòng) 實(shí)現(xiàn)對磁盤的驅(qū)動(dòng)調(diào)度 處理外設(shè)的中斷事件 實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備,外圍設(shè)備的分類,從使用的角度分析外圍設(shè)備的特性，可以把外設(shè)分成兩類：獨(dú)占設(shè)備和可共享設(shè)備。 作業(yè)執(zhí)行過程中只允許一個(gè)作業(yè)獨(dú)占的設(shè)備稱為獨(dú)占設(shè)備。 可以讓若干個(gè)作業(yè)同時(shí)使用(交替使用)的設(shè)備稱為可共享設(shè)備。,獨(dú)占設(shè)備的管理,實(shí)現(xiàn)多道程序設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以同時(shí)接納多個(gè)用戶作業(yè)，每個(gè)作業(yè)都需要使用一些外設(shè)，有的時(shí)候幾道作業(yè)可能要求使用同樣的

3、外設(shè)，對于設(shè)備管理來說，必須決定分配外設(shè)的策略，盡可能滿足作業(yè)的要求和提供設(shè)備利用率。,設(shè)備的絕對號與相對號,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中配置有各種不同類型的設(shè)備，每一類設(shè)備又可以有多臺，為了對設(shè)備進(jìn)行管理，為每臺設(shè)備確定一個(gè)編號，這個(gè)編號稱為設(shè)備的絕對號。 用戶無法知道哪臺設(shè)備空閑，用戶申請?jiān)O(shè)備時(shí)不能使用絕對號。只要向系統(tǒng)說明所要設(shè)備的類型，實(shí)際分類哪一臺由系統(tǒng)決定。,設(shè)備的絕對號與相對號,用戶可能同時(shí)使用幾臺同類型設(shè)備，為了避免使用時(shí)的混亂，用戶可以把自己要求使用的若干臺設(shè)備編號，由用戶對自己需要使用的若干臺設(shè)備給出的編號稱為設(shè)備的相對號。 用戶總是用“設(shè)備類、相對號”來提出使用設(shè)備。 系統(tǒng)在為用戶分配具

4、體設(shè)備時(shí)就建立“設(shè)備類、相對號”和“絕對號”的對應(yīng)關(guān)系。,獨(dú)占設(shè)備的分配,作業(yè)申請獨(dú)占設(shè)備時(shí)，應(yīng)指定所需的是什么設(shè)備，指定的方式有兩種： 指定“絕對號” ： 系統(tǒng)把與絕對號對應(yīng)的設(shè)備分配給作業(yè)，如果已占用或有故障，作業(yè)等待。 通常，用戶不用指定具體設(shè)備，而是指定哪種設(shè)備多少臺，用戶在程序中使用“設(shè)備類、相對號”定義邏輯設(shè)備。由系統(tǒng)將邏輯設(shè)備轉(zhuǎn)換成物理設(shè)備，并啟動(dòng)設(shè)備工作。用戶編制程序時(shí)使用的設(shè)備與實(shí)際占用的設(shè)備無關(guān)，這種特性稱為設(shè)備的獨(dú)立性。,獨(dú)占設(shè)備的分類,設(shè)備獨(dú)立性帶來的好處： 系統(tǒng)只要從指定類別的設(shè)備中找出“好的且尚未分配的”設(shè)備來分配 萬一設(shè)備出現(xiàn)故障，系統(tǒng)可以再找一臺“好的且尚未分配

5、的”設(shè)備來替換,獨(dú)占設(shè)備的分類,在設(shè)備分配策略上，對磁帶機(jī)、輸入機(jī)、打印機(jī)等只適合獨(dú)占的設(shè)備總是采用靜態(tài)分配策略。 靜態(tài)分配：僅當(dāng)一個(gè)作業(yè)所需的獨(dú)占設(shè)備能夠得到滿足時(shí)，該作業(yè)才能被裝入主存執(zhí)行，作業(yè)撤離時(shí)，收回分配給它的設(shè)備。,獨(dú)占設(shè)備的分類,為了記錄設(shè)備的分配情況，系統(tǒng)可以設(shè)置設(shè)備分配表，指出系統(tǒng)所配置的獨(dú)占設(shè)備類型、數(shù)量以及分配和使用的情況。 設(shè)備分配表由兩部分組成：設(shè)備類表、設(shè)備表,設(shè)備類表,設(shè)備表,獨(dú)占設(shè)備的分類,用戶申請使用某臺設(shè)備時(shí)，先查設(shè)備類表。 若果現(xiàn)存的臺數(shù)能夠滿足申請要求，則依次檢查該類設(shè)備，找出“好的且尚未分配的”設(shè)備分配給用戶。 分配后修改“現(xiàn)存臺數(shù)”，“已/未分配”標(biāo)

6、志，填上作業(yè)名和作業(yè)中定義的相對號，并把設(shè)備的絕對號和相對號對應(yīng)關(guān)系通知用戶。,獨(dú)占設(shè)備的分類,作業(yè)撤離時(shí)回收作業(yè)占用的全部設(shè)備 根據(jù)作業(yè)名在設(shè)備表中找到該作業(yè)占用的全部設(shè)備，把標(biāo)志改為“未分配”，清除作業(yè)名。 把回收的臺數(shù)加到“現(xiàn)存臺數(shù)”中。,訪問磁盤的操作時(shí)間,任何一個(gè)訪問磁盤的請求，都應(yīng)給出訪問磁盤的存儲空間地址：柱面號、磁頭號、扇區(qū)號。 先把移動(dòng)臂移到指定柱面，再等待指定的扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下面，讓指定的磁頭進(jìn)行讀/寫。 磁盤執(zhí)行一次輸入/輸出操作所花費(fèi)的時(shí)間：尋道時(shí)間、延遲時(shí)間、傳送時(shí)間三個(gè)部分組成。,磁盤的驅(qū)動(dòng)調(diào)度,磁盤是一種共享設(shè)備，同時(shí)會有若干個(gè)進(jìn)程要求訪問磁盤，但每個(gè)時(shí)刻只允許一

7、個(gè)訪問者啟動(dòng)。 系統(tǒng)會采用一定的調(diào)度策略來決定等待訪問者的執(zhí)行次序，這項(xiàng)決定訪問者執(zhí)行次序的工作稱為驅(qū)動(dòng)調(diào)度，采用的調(diào)度策略稱為驅(qū)動(dòng)調(diào)度算法。,磁盤的驅(qū)動(dòng)調(diào)度,磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)度包括：移臂調(diào)度和旋轉(zhuǎn)調(diào)度兩部分。 一般先進(jìn)行移臂調(diào)度，再進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)度。 移臂調(diào)度的目標(biāo)是盡可能減少尋找時(shí)間。 旋轉(zhuǎn)調(diào)度的目標(biāo)是盡可能減少延遲時(shí)間。,移臂調(diào)度,根據(jù)等待訪問者指定的柱面位置來決定次序的調(diào)度稱為“移臂調(diào)度”。 先來先服務(wù)調(diào)度算法 按照訪問者提出訪問請求的先后次序。 假設(shè)磁盤位于53號柱面，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67號柱面,0,14,37,53,65,67,98,122,1

8、24,183,199,最短尋找時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法,最短尋找時(shí)間優(yōu)先調(diào)度算法總是從等待訪問者中挑選尋找時(shí)間最短的那個(gè)請求先執(zhí)行。 假設(shè)磁盤位于53號柱面，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67號柱面,0,14,37,53,65,67,98,122,124,183,電梯調(diào)度算法,電梯調(diào)度算法總是沿著臂的移動(dòng)方向選擇最近的那個(gè)柱面的訪問者，如果移動(dòng)方向上無請求，就改變臂的移動(dòng)方向再進(jìn)行選擇。 假設(shè)磁盤位于53號柱面，假設(shè)磁臂移動(dòng)方向從內(nèi)向外(向0號柱面方向)，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67號柱面,0,14,37,53,65,67,98

9、,122,124,183,電梯調(diào)度算法,假設(shè)磁盤位于53號柱面，假設(shè)磁臂移動(dòng)方向從外向內(nèi)(向柱面號增大方向)，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67號柱面,0,14,37,53,65,67,98,122,124,183,旋轉(zhuǎn)調(diào)度,移臂定位之后，可能會有多個(gè)訪問者訪問該柱面，從效率考慮應(yīng)優(yōu)先選擇延時(shí)時(shí)間最短的訪問者去執(zhí)行，根據(jù)延遲時(shí)間來決定執(zhí)行次序的調(diào)度稱為旋轉(zhuǎn)調(diào)度。,旋轉(zhuǎn)調(diào)度,若干請求者要求訪問相同磁頭下的不同扇區(qū)。,0扇區(qū),1扇區(qū),2扇區(qū),3扇區(qū),旋轉(zhuǎn)方向,磁頭,4扇區(qū),5扇區(qū),旋轉(zhuǎn)調(diào)度,若干請求者要求訪問不同磁頭下的不同扇區(qū)。,0扇區(qū),1扇區(qū),2扇區(qū),3扇區(qū),

10、磁頭,4扇區(qū),5扇區(qū),0扇區(qū),1扇區(qū),2扇區(qū),3扇區(qū),旋轉(zhuǎn)方向,磁頭,4扇區(qū),5扇區(qū),旋轉(zhuǎn)調(diào)度,若干請求者要求訪問不同磁頭下的相同扇區(qū)。,0扇區(qū),1扇區(qū),2扇區(qū),3扇區(qū),磁頭,4扇區(qū),5扇區(qū),0扇區(qū),1扇區(qū),2扇區(qū),3扇區(qū),旋轉(zhuǎn)方向,磁頭,4扇區(qū),5扇區(qū),例1：,有四個(gè)訪問5號柱面的訪問者，訪問要求如表所示：,練習(xí) P187 9,信息的優(yōu)化分布,信息在磁道上的排列方式也會影響旋轉(zhuǎn)調(diào)度時(shí)間。 例：磁盤每個(gè)盤面8個(gè)扇區(qū)，每次請求從磁盤上讀一個(gè)記錄，對讀出的記錄花5ms的時(shí)間進(jìn)行處理，然后再讀下一個(gè)記錄，直至處理結(jié)束，假設(shè)磁盤轉(zhuǎn)速每周20ms，記錄在磁盤上的分布如圖所示：,處理完這8個(gè)記錄需要多長時(shí)

11、間,信息的優(yōu)化分布,L3,L5,L2,L7,L4,L1,L8,L6,始點(diǎn),旋轉(zhuǎn)方向,處理所有記錄花的時(shí)間為： 8 * (2.5 + 5) = 60ms,練習(xí) P187 10,通道結(jié)構(gòu)和通道程序,現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)引入了通道結(jié)構(gòu)，主存和外設(shè)之間傳送信息的操作不再由中央處理器承擔(dān)，而改由通道承擔(dān)。 中央處理器只需啟動(dòng)通道，通道就能按指定的要求獨(dú)立地完成輸入/輸出操作，中央處理器做其他工作，從而使得中央處理器與外設(shè)可以并行工作。 由于通道可以獨(dú)立工作，各通道上的外圍設(shè)備也能并行工作。 由于通道能單獨(dú)地完成輸入/輸出操作，所以把通道稱為I/O處理機(jī)。,通道結(jié)構(gòu)和通道程序,通道命令(channel comm

12、and word,CCW),計(jì)算機(jī)硬件提供一組“通道命令”，每一條通道命令規(guī)定了設(shè)備的一種操作，通道命令由通道執(zhí)行。 操作系統(tǒng)可以用若干條通道命令來規(guī)定通道應(yīng)做的工作，若干條通道命令就構(gòu)成了通道程序。,通道命令CCW,不同的操作系統(tǒng)通道命令格式不同，一般由命令碼、數(shù)據(jù)主存地址、傳送字節(jié)數(shù)、標(biāo)志碼組成。 例如IBM系統(tǒng)通道命令用8字節(jié)表示： 要控制外圍設(shè)備完成指定工作，首先要用通道程序把要求表示出來，然后啟動(dòng)通道，通道按照通道程序的要求指定外設(shè)工作。,命令碼,傳送字節(jié)數(shù),標(biāo)志碼,數(shù)據(jù)主存地址,0,63,通道命令CCW,例：用戶要求從打印機(jī)上輸出一行信息“operating system”，信息打

13、印在新的一頁第4行， “operating system”存放在主存001000號單元，占16個(gè)字節(jié)，編制一個(gè)含有三條命令的通道程序，程序存放在主存的K號單元開始的區(qū)域中。(16進(jìn)制表示),通道地址字(channel address word,CAW),編制好的通道程序是放在主存的，主存中設(shè)置一個(gè)固定單元存放通道程序首地址，這個(gè)存放通道程序首地址的主存固定單元稱為通道地址字(CAW)。,通道狀態(tài)字(channel status word，CSW),當(dāng)通道被啟動(dòng)后，在執(zhí)行通道程序時(shí)，需要把通道和設(shè)備執(zhí)行操作的情況記錄下來。 通道程序執(zhí)行結(jié)束時(shí)，被記錄的執(zhí)行情況存儲到主存的一個(gè)固定單元中，這個(gè)單元

14、稱為通道狀態(tài)字(CSW),通道狀態(tài)字(channel status word，CSW),IBM系統(tǒng)的通道狀態(tài)字： 通道命令地址：下一條通道指令在主存中的地址 設(shè)備狀態(tài)：設(shè)備和設(shè)備控制器識別的狀態(tài)，忙、出錯(cuò)、結(jié)束等 通道狀態(tài)：通道識別的狀態(tài) 剩余字節(jié)數(shù)：最近的一次通道命令執(zhí)行后還剩多少字節(jié)沒有傳輸完,外圍設(shè)備的啟動(dòng)準(zhǔn)備階段,文件管理確定文件物理地址 以及信息存放的主存地址,用戶請求存取文件,設(shè)備管理組織通道程序，把 通道程序在主存的首地址 寫入通道地址字(CAW),告知設(shè)備管理,外圍設(shè)備的啟動(dòng)啟動(dòng)I/O階段,設(shè)備管理程序組織“啟動(dòng)I/O” 指令，參數(shù)為通道號和設(shè)備號， CPU執(zhí)行 “啟動(dòng)I/O”

15、指令,通道收到指令后，根據(jù)自己和 設(shè)備的工作情況形成條件碼， 向中央處理器報(bào)告是否成功 啟動(dòng),分析條件碼，若成功啟動(dòng)， 中央處理器繼續(xù)執(zhí)行其他進(jìn)程,從通道地址字中取出通道 程序首地址，裝入通道狀態(tài)字, 按照程序要求控制設(shè)備工作， 執(zhí)行的情況記錄在通道狀態(tài)字 中,外圍設(shè)備的啟動(dòng)結(jié)束處理階段,通道發(fā)現(xiàn)通道狀態(tài)字中有結(jié)束、出錯(cuò) 等情況,將產(chǎn)生中斷的通道號、設(shè)備絕對號 報(bào)給中斷控制器，中斷狀態(tài)字CSW 寫入主存,發(fā)出I/O中斷,保護(hù)斷點(diǎn)，分析中斷原因，轉(zhuǎn)向中斷 處理程序,設(shè)備處理一致性,具有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，從啟動(dòng)外設(shè)到輸入/輸出完成，都不考慮物理設(shè)備的特性，使用統(tǒng)一方法進(jìn)行處理，這種不考慮設(shè)備的具體

16、物理特性的處理方法稱為設(shè)備處理一致性。,I/O中斷事件的處理,I/O中斷事件可以分為操作正常結(jié)束和操作異常結(jié)束兩大類，這兩類中斷的處理原則如下： 操作正常結(jié)束 通道狀態(tài)字中有通道結(jié)束、設(shè)備結(jié)束、控制器結(jié)束時(shí)，表示通常完成了通道程序規(guī)定的操作。 操作系統(tǒng)根據(jù)通道號、設(shè)備號查詢設(shè)備分配表，得到進(jìn)程名稱，將進(jìn)程狀態(tài)由“等待”變成“就緒”,I/O中斷事件的處理,操作異常結(jié)束 設(shè)備故障 執(zhí)行輸入/輸出操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)硬件故障等情況時(shí)形成操作異常結(jié)束的I/O中斷。 操作系統(tǒng)處理這類事件的原則是讓通道程序復(fù)執(zhí)。 設(shè)備特殊 打印機(jī)缺紙、磁帶到了末尾等特殊情況 操作系統(tǒng)分類處理，通知操作員裝紙，換磁帶等。,緩沖技術(shù)

17、,緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。 在主存中開辟緩沖區(qū)，用來臨時(shí)存放輸入/輸出信息。 在操作系統(tǒng)中，把利用緩沖區(qū)來緩解處理器與外設(shè)之間速度不匹配的矛盾而采用的技術(shù)稱為緩沖技術(shù)。 核心： “提前讀，延遲寫”,無緩沖,不采用緩沖技術(shù)，一塊數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間為T+p,單緩沖,采用單緩沖，一塊數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間為max(T,p) + t,雙緩沖,采用雙緩沖，一塊數(shù)據(jù)的平均處理時(shí)間為max(p+t),T),緩沖池,主存中設(shè)置一組緩沖區(qū)，這一組緩沖區(qū)稱為緩沖池。緩沖池是公共資源，可供各進(jìn)程共享，由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分配和管理。,緩沖池,用戶請求讀磁盤文件，首先為其分配一個(gè)或幾個(gè)緩沖區(qū)，然后啟動(dòng)磁盤將文

18、件讀到緩沖區(qū)中，當(dāng)把緩沖區(qū)的信息傳送到工作區(qū)后，緩沖區(qū)信息保留。 用戶請求把文件保存在磁盤上時(shí)，首先為其分配一個(gè)或幾個(gè)緩沖區(qū)，然后把主存中的文件信息復(fù)制到緩沖區(qū)中，不啟動(dòng)磁盤保存該文件。直到緩沖區(qū)要被回收時(shí)，才寫會磁盤-“延遲寫”。,虛擬設(shè)備,操作系統(tǒng)利用共享設(shè)備來模擬獨(dú)占設(shè)備的工作，并且讓每個(gè)作業(yè)都感覺自己獨(dú)占設(shè)備，操作系統(tǒng)采用的這種技術(shù)成為“虛擬設(shè)備”。,為什么要提供虛擬設(shè)備,獨(dú)占設(shè)備通常采用靜態(tài)分配方式 占有打印機(jī)的作業(yè)，只有一部分時(shí)間使用打印機(jī)，其余時(shí)間即使不用，也不允許其他作業(yè)用，不能有效利用設(shè)備 當(dāng)系統(tǒng)只配有一臺輸入機(jī)、一臺打印機(jī)的時(shí)候，就不能接受兩個(gè)以上的作業(yè)同時(shí)運(yùn)行，不利用多道

19、并行 獨(dú)占設(shè)備大多是低速設(shè)備，作業(yè)執(zhí)行過程中等待時(shí)間長而延長了作業(yè)的執(zhí)行時(shí)間,虛擬設(shè)備的基本條件,硬件條件 大容量的硬盤 中斷裝置 通道 軟件條件 支持多道程序設(shè)計(jì),虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)原理,虛擬設(shè)備的實(shí)現(xiàn)技術(shù),為了實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備，必須在磁盤上劃出稱為“井”的專用空間。 輸入井：存放作業(yè)的初始信息 輸出井：作業(yè)的執(zhí)行結(jié)果,SPOOLING系統(tǒng),操作系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)虛擬設(shè)備的功能模塊是在計(jì)算機(jī)控制下通過聯(lián)機(jī)的外圍設(shè)備同時(shí)操作(simultaneous peripheral operation on line),簡稱spooling。,Spooling系統(tǒng)組成,Spooling系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),作業(yè)表,輸入井中的作

20、業(yè)狀態(tài) 輸入態(tài) ： 正在將作業(yè)信息傳輸?shù)捷斎刖?收容態(tài)： 作業(yè)已經(jīng)存放在輸入井中，但尚未被選中執(zhí)行 執(zhí)行態(tài) ： 作業(yè)被選中并裝入主存執(zhí)行 完成態(tài)： 作業(yè)已執(zhí)行結(jié)束，執(zhí)行結(jié)果在輸出井中等待輸出,Spooling系統(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),預(yù)輸入表,緩輸出表,功能實(shí)現(xiàn),J1,功能實(shí)現(xiàn),主 存,J1,J2,J3,輸入井,井管理讀程序,功能實(shí)現(xiàn),主 存,J2結(jié)果,J3結(jié)果,輸出井,井管理寫程序,J1結(jié)果,功能實(shí)現(xiàn),打印 機(jī),結(jié)果,緩輸出程序,J1結(jié)果,J2結(jié)果,J3結(jié)果,輸出井,UNIX的設(shè)備,設(shè)備分類 塊設(shè)備 ： 以塊為單位和主存交換信息，是用來存儲信息的設(shè)備，塊設(shè)備也稱存儲設(shè)備。 字符設(shè)備 ： 以字節(jié)為單位與主存交換信息，也稱輸入/輸出設(shè)備。 UNIX對每一類設(shè)備給出一個(gè)編號，稱為主設(shè)備號，每臺設(shè)備有一個(gè)編號，稱為次設(shè)備號。 請求設(shè)備工作時(shí)，給出主設(shè)備號和次設(shè)備號。,設(shè)備文件,UNIX把設(shè)備當(dāng)做文件來對待，每個(gè)設(shè)備文件有文件名，并對它像文件一樣操作。,1#,3#,4#,5#,索引節(jié)點(diǎn)區(qū),文件存儲區(qū),1#,2#,4#,5#,/dev目錄,fd = open(“/dev/