1、第五章 設備管理,概 述 1）設備管理的基本任務 完成用戶提出的I/O請求，實施具體的I/O操作 提高I/O的速度、設備的利用率及設備與CPU的并行工作能力 2）設備管理的主要功能 設備的分配、回收與管理 設備的處理（I/O控制、驅(qū)動與中斷處理） 緩沖區(qū)的管理 設備的獨立性與虛擬設備的實現(xiàn),5.1 I/O系統(tǒng) I/O系統(tǒng)：計算機系統(tǒng)中負責數(shù)據(jù)I/O及存儲的子系統(tǒng) 1）I/O設備類型 作用方面劃分：I/O型、存儲型 使用屬性劃分：獨占、共享、虛擬 傳輸速率劃分：低速、中速、高速 信息交換單位劃分：字符設備、塊設備,2）I/O系統(tǒng)組成 一般包括I/O設備、控制器、接口及線路、設備驅(qū)動、控制和管理的

2、相關程序，有的大中型機中還有通道。 控制器 相關概念：連接CPU（內(nèi)存）與I/O設備，用于控制設備工作，實現(xiàn)I/O設備與計算機之間的數(shù)據(jù)交換的硬件裝置。 控制器的功能： 接收、識別由CPU發(fā)來的命令 進行數(shù)據(jù)傳遞與交換 設備狀態(tài)的檢查，設備地址的識別，數(shù)據(jù)緩沖，差錯控制,通 道 定義： 能獨立于CPU執(zhí)行通道程序向控制器發(fā)命令的 裝置特殊的處理機 通道的功能： 執(zhí)行簡單的I/O指令（與CPU并行工作） 直接訪問內(nèi)存，進行內(nèi)存與I/O設備間的數(shù)據(jù)傳送 替代CPU，通過執(zhí)行通道程序?qū)υO備進行控制 通道的類型： 字節(jié)多路通道 數(shù)組選擇通道 數(shù)組多路通道,總線結構示意圖,3) I/O系統(tǒng)體系結構 微機

3、系統(tǒng)：總線結構 大型機系統(tǒng)：通道結構,5.2 I/O控制方式 程序I/O方式 中斷驅(qū)動I/O方式（一般中斷方式） DMA I/O方式（DMA控制器控制方式） 通道I/O控制方式（采用I/O通道實施控制）,1）程序I/O方式 工作過程 CPU發(fā)一條I/O指令給控制器，啟動設備工作 CPU不斷測試設備的工作狀態(tài)直至設備完成工作 CPU發(fā)下一條I/O指令，再次啟動設備工作 特點 CPU等待設備完成工作，CPU效率很低,2）中斷驅(qū)動I/O方式 中斷機構設備自動產(chǎn)生中斷信息，并由CPU進行響應和處理 工作過程 CPU發(fā)出I/O指令給控制器啟動設備工作 其后CPU不再等待設備完成，而是返回執(zhí)行其他程序 待

4、設備完成時產(chǎn)生中斷信號，CPU才去響應處理 特點 CPU與設備間斷并行工作，但設備每傳送一個數(shù)據(jù)（通常為字節(jié)或字），CPU則要響應處理中斷一次，效率仍不是太高,3）DMA I/O控制方式 DMA控制器的組成,工作過程 CPU發(fā)I/O指令給DMA控制器(進行相應設置)，啟動設備工作 其后CPU返回執(zhí)行其他程序 待DMA控制設備將一組數(shù)據(jù)傳送完畢產(chǎn)生中斷后，CPU才去干預處理 特點,CPU與設備間斷并行，CPU效率較高,4）通道I/O控制方式 工作過程 CPU向通道發(fā)命令，啟動通道工作，CPU返回繼續(xù)執(zhí)行 通道執(zhí)行事先組織好的通道程序，啟動設備進行數(shù)據(jù)傳送 待通道程序執(zhí)行完畢，產(chǎn)生通道中斷，CPU

5、才響應處理 特點,CPU與通道、設備完全并行工作，CPU效率高,5）四種方式比較,5.3 緩沖技術和緩沖管理 緩沖的引入 緩沖的實現(xiàn) 緩沖區(qū)類型 緩沖池管理,1）緩沖的引入 在操作系統(tǒng)中，引入緩沖的主要原因，可歸結為以下幾點： 緩和CPU與IO設備間速度不匹配的矛盾 減少對CPU的中斷頻率,放寬對中斷響應時間的限制 提高CPU和IO設備之間的并行性 注：凡數(shù)據(jù)到達率與離去率不一致的場合，均可采用緩沖加以解決,2）緩沖的實現(xiàn) 硬緩沖：在設備中設置緩沖區(qū)（通常是一組寄 存器）由硬件實現(xiàn) 軟緩沖：在內(nèi)存中開辟一個空間用作緩沖區(qū) 3）緩沖的類型 專用緩沖區(qū)：單緩沖、雙緩沖、多緩沖 公用緩沖區(qū)：緩沖區(qū)的

6、集合(緩沖池) 注：分配的緩沖區(qū)個數(shù)愈多，緩沖效果愈好,4）各種緩沖及其管理 單緩沖主機（內(nèi)存）I/O設備 雙緩沖數(shù)據(jù)（設備）,緩沖區(qū),緩沖區(qū)2,緩沖區(qū)1,內(nèi)存（主機）, 緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存取操作可并行,緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存取操作是串行的,循環(huán)多緩沖,變量含義 G 裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū) R 空緩沖區(qū) C 當前工作的緩沖區(qū) Nexti 指向下一個可用空緩沖區(qū)指針 Nextg 指向下一個滿緩沖區(qū)指針 Current 正在使用的緩沖區(qū)的指針,循環(huán)緩沖區(qū)的使用過程及同步 注：只要Nextg不趕上Nexti，都可從滿緩沖區(qū)中取數(shù)據(jù) 只要Nexti不趕上Nextg，都可向空緩沖區(qū)中送數(shù)據(jù),緩沖池及其管理 緩沖池：公用緩

7、沖區(qū)的集合 組成：空緩沖區(qū)隊列（供分配的空緩沖區(qū)組成） 輸入緩沖區(qū)隊列（裝滿輸入數(shù)據(jù)的滿緩沖區(qū)組成） 輸出緩沖區(qū)隊列（裝滿輸出數(shù)據(jù)的滿緩沖區(qū)組成） 工作方式（四種） 收容輸入：從輸入設備輸入數(shù)據(jù)到空緩沖區(qū) 提取輸入：從輸入緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)到內(nèi)存工作區(qū) 收容輸出：從內(nèi)存向空緩沖區(qū)中送數(shù)據(jù) 提取輸出：從輸出緩沖區(qū)中提取數(shù)據(jù)到輸出設備輸出,緩沖池工作原理,5.4 I/O軟件,總體設計目標：高效性和通用性 基本思想：I/O軟件按分層的思想構成，較低層軟件要使較高層軟件獨立于硬件的特性，較高層軟件則要向用戶提供一個友好的、清晰的、簡單的、功能更強的接口。,1）I/O軟件的層次結構,各層任務如下： 用戶層

8、軟件：實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可執(zhí)行I/O系統(tǒng)調(diào)用 設備獨立性軟件：負責實現(xiàn)適用于所有設備的功用操作，并向用戶層提供一個統(tǒng)一的接口 設備驅(qū)動程序：與硬件直接相關，負責具體實施對設備發(fā)出操作指令驅(qū)動I/O設備工作 中斷處理程序：I/O中斷發(fā)出后執(zhí)行相應的程序進行I/O的善后處理，并在處理完成后返回被中斷進程 硬件層：實現(xiàn)物理IO的操作,中斷處理程序,設備驅(qū)動程序 主要功能 接收上層軟件（比如I/O進程）發(fā)來的命令和參數(shù)，并將其轉換成具體的操作要求 向控制器發(fā)I/O指令，啟動設備工作，并進行中斷響應和處理 在有通道的I/O系統(tǒng)中，生成通道程序 設備處理的方式 為每類設備設置一個驅(qū)動進程 整個系統(tǒng)

9、設置一個驅(qū)動進程 不設置進程，僅設置相應驅(qū)動程序供調(diào)用 無論何種處理方式，都必須有一組相應的驅(qū)動程序,驅(qū)動程序特點 I/O請求與設備控制器之間的通信和轉換程序 與設備控制器和I/O設備硬件特性相關 與采用的I/O控制方式相關 其中部分必須是匯編語言實現(xiàn) 設備驅(qū)動的處理過程 轉換上層軟件的抽象要求為具體操作要求 對I/O請求進行合法性檢查 對控制器、設備的工作狀態(tài)進行檢測 向控制器傳送參數(shù)和命令，啟動設備工作,設備獨立性軟件 設備獨立性： 概念：應用程序獨立于物理設備即與具體設備無關 好處：增加了設備分配的靈活性；利于設備的更新（I/O重定向） 實現(xiàn)：應用程序采用邏輯設備名請求使用某類設備，實際

10、執(zhí)行時使用物理設備名稱。系統(tǒng)通過邏輯設備表(LUT)為之實現(xiàn)邏輯設備到物理設備的轉換。,設備獨立性軟件 基本任務是實現(xiàn)所有設備都需要的功能，并且向用戶級軟件提供一個統(tǒng)一的接口。其中所有設備共有的操作包括： 獨占設備的分配和釋放 邏輯設備名到物理設備名的映射 設備保護 提供與設備無關的邏輯塊 緩沖管理 差錯控制,5.5 設備分配 設備分配程序按照一定的策略把設備分配給I/O請求用戶以解決資源的無序競爭問題，確保設備安全，正確地共享使用。 1）設備分配的相關數(shù)據(jù)結構 設備控制表 DCT 控制器控制表 COCT 通道控制表 CHCT 系統(tǒng)設備表 SDT,設備控制表（DCT）每個設備一張，描述設備特性

11、和狀態(tài)。反映設備特性、設備和控制器的連接情況。,控制器控制（COCT） 通道控制表（CHCT） 系統(tǒng)設備表（SDT） 系統(tǒng)內(nèi)一張，反映系統(tǒng)中設備資源的狀態(tài)，記錄所有設備的狀態(tài)及其設備控制表的入口,各表間的關系示意圖,2）設備分配應考慮的相關因素 設備的使用屬性 設備分配的策略（算法） 設備分配的安全性 設備的獨立性（無關性）,設備使用屬性 獨占設備： 共享設備： 虛擬設備：,一次只能分配給一個用戶（進程）使用,可同時分配給多個進程使用（比如磁盤）,邏輯上可同時分配給多個進程，物理上仍是一個進程一個進程依次使用,設備分配算法 先請求先服務 優(yōu)先級高者優(yōu)先 設備分配的安全性 安全分配方式：進程請求

12、I/O后，立即被阻塞（不會 產(chǎn)生新的請求） 不安全分配方式：進程請求I/O后不阻塞，會產(chǎn)生新 的請求 設備獨立性（即設備無關性） 用戶程序中所使用的設備(邏輯設備)與系統(tǒng)配置的實際物理設備無關。,3）獨占設備分配流程,圖1：獨占設備（單通路）分配流程,5.6 Spooling技術與虛擬設備 1）問題的提出與解決 問題提出獨占設備一旦被某進程占用，即使占用期間設備閑置，其他請求者必須長期等待，導致進程推進速度放慢，系統(tǒng)效率降低 解決辦法 采用脫機I/O，需增加外圍機，且是脫機操作 利用Spooling技術，進行假脫機I/O操作,Spooling工作原理利用可并發(fā)執(zhí)行的輸入和輸出進程，在聯(lián)機的狀態(tài)

13、下，模擬實施脫機I/O操作：預輸入和緩輸出 稱實現(xiàn)假脫機操作的系統(tǒng)為Spooling系統(tǒng),2）Spooling系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 1 輸入井和輸出井：在磁盤上。 2 輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：在內(nèi)存。 3 輸入進程和輸出進程：守護（daemon）進程,3）工作過程舉例（以請求打印機為例） 多個進程同時請求打印機，由Spooling系統(tǒng)響應 根據(jù)請求，為用戶進程分配磁盤輸出井空間，將輸出（打印）數(shù)據(jù)快速寫到輸出井中（暫存） 建立“用戶請求打印表”，填入相關請求數(shù)據(jù) 將請求打印表插入請求打印隊列 待打印機空閑時，若請求打印隊列不空，則喚醒輸出進程，待其調(diào)度執(zhí)行時，根據(jù)請求打印表信息從輸出井讀入數(shù)據(jù)送內(nèi)

14、存緩沖區(qū)，再由打印機輸出，直至輸出完畢 重復上一操作，直至請求打印隊列空為止（可阻塞輸出進程）,4）Spooling系統(tǒng)的作用與特征 提高了I/O的速度，同時也提高了進程的推進速度 將獨占設備改造為邏輯上可共享的設備 實現(xiàn)了虛擬設備的功能（一名獨占設備被邏輯擴充為 多臺）,設備管理歸納,提高磁盤的存取訪問速度,5.7 磁盤存儲器管理 磁盤存儲器：外部存儲器或輔助存儲器（重要的設備） 特點：可長期保存程序和數(shù)據(jù)，容量大 缺點：存取訪問速度較低（比內(nèi)存低46數(shù)量級） 磁盤管理的目標 改善磁盤系統(tǒng)的性能，提高存?。ㄔL問）速度,1）磁盤存儲器簡介 磁盤類型：硬盤和軟盤 移動頭和固定頭磁盤 結構 每個盤

15、面有若干磁道 每個磁道劃分成若干扇區(qū) 每個磁道某扇區(qū)對應的弧被稱為一個盤塊,移動頭磁盤的訪問時間 尋道時間Ts 旋轉延遲時間Tr 數(shù)據(jù)讀/寫時間Tt 要提高磁盤數(shù)據(jù)的存取速度，必須盡可能較少尋道時間,2）磁盤調(diào)度 選擇磁盤訪問的尋道次序，不同的次序形成不同的磁盤調(diào)度算法，希望選用的調(diào)度算法使得平均尋道的時間為最少。常用的磁盤調(diào)度算法有： 先來先服務算法 最短尋道時間優(yōu)先 掃描法（來回雙向） 循環(huán)掃描法（單向）,磁盤I/O執(zhí)行順序為磁盤I/O請求的先后順序。,磁頭需要移動640個柱面，平均尋道長度80,先來先服務（FCFS）,選擇從當前磁頭位置出發(fā)，移動最少的磁盤I/O請求。該算法的目標是使每次

16、磁頭移動時間最少。,最短尋道時間優(yōu)先 SSTF,磁頭需要移動236個柱面，平均尋道長度29.5,掃描(SCAN)算法： 選擇在磁頭前進方向上從當前位置移動最少的磁盤I/O請求執(zhí)行，沒有前進方向上的請求時才改變方向。故又稱電梯調(diào)度算法,磁頭總共移動了236/208個柱面的距離,循環(huán)掃描算法CSCAN CSCAN算法規(guī)定磁頭只能單向運動（如自里向外），當磁頭運動到最外面的被訪問磁道時，磁頭立即返回到最里面的欲訪的磁道，即將最小磁道號緊接著最大磁道號構成循環(huán)，進行掃描。,磁頭總共移動了322個柱面的距離,例：某時刻多個進程請求訪問磁盤的磁道序列為 55, 58, 39, 18, 90, 160, 1

17、50, 38, 184 假定當前磁頭位置位于100道且由外向里移動,先來先服務的尋道次序為：,55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,平均尋道長度為：,498/9=55.3道,4. 循環(huán)掃描法的平均尋道長度為 322/9=35.8道,2.最短尋道時間優(yōu)先的尋道次序為:,90, 58, 55, 39, 38, 18, 150, 160, 184,平均尋道長度：,248/9=27.5道,3.掃描法的尋道次序為：,150, 160, 184, 90, 58, 55, 39, 38, 18,平均尋道長度：,250/9=27.8道,3）磁盤高速緩存 策略： 內(nèi)存設置磁

18、盤緩沖區(qū)，以降低讀/寫磁盤的次數(shù)， 從而提高磁盤的訪問速度,數(shù)據(jù)邏輯上屬于磁盤，物理上存在于內(nèi)存 （內(nèi)存映象）,實現(xiàn)：緩沖區(qū)采用緩沖池結構，每個緩沖區(qū)的大小與對 應磁盤盤塊大小相一致,磁盤操作 讀磁盤：先查看內(nèi)存緩沖區(qū),若盤塊數(shù)據(jù)在緩沖區(qū)中則直 接存取 ,只有當盤塊數(shù)據(jù)不在緩沖區(qū)時，才去讀磁盤 寫磁盤：先將數(shù)據(jù)寫到對應緩沖區(qū)中，再以異步方式從 緩沖區(qū)寫到磁盤,本章小結 1）設備管理的基本任務 完成I/O操作 提高I/O速度及并行工作能力 2）設備管理的主要功能 設備的分配、回收與管理 設備控制、驅(qū)動與中斷處理 緩沖的實現(xiàn)與管理 虛擬設備的實現(xiàn),3）相關概念與術語 I/O系統(tǒng)（設備、控制器、通道） I/O控制方式（程序測試、中斷、DMA、通道） 緩沖區(qū)，緩沖池 有關數(shù)據(jù)結構（SDT, DCT, COCT, CHCT） 邏輯設備與物理設備