磁盤存儲(chǔ)器設(shè)備分配及設(shè)備處理

1、第五章 設(shè) 備 管 理 第五章第五章 設(shè)備管理設(shè)備管理 5.1 I/O5.1 I/O系統(tǒng)系統(tǒng) 5.2 I/O5.2 I/O控制方式控制方式 5.3 5.3 緩沖管理緩沖管理 5.4 5.4 設(shè)備分配設(shè)備分配 5.5 5.5 設(shè)備處理設(shè)備處理 5.6 5.6 磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理 第五章 設(shè) 備 管 理 5.1 I/O 系系 統(tǒng)統(tǒng) 5.1.1 I/O設(shè)備設(shè)備 1. I/O設(shè)備的類型設(shè)備的類型 1) 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，這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個(gè)字節(jié)至數(shù)百個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。屬于低速設(shè)備的典型設(shè)備有鍵盤、 鼠標(biāo)器、語音的輸入和輸出等

2、設(shè)備。第二類是中速設(shè)備，這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個(gè)字節(jié)至數(shù)萬個(gè)字節(jié)的一類設(shè)備。典型的中速設(shè)備有行式打印機(jī)、激光打印機(jī)等。第三類是高速設(shè)備， 這是指其傳輸速率在數(shù)百千個(gè)字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)的一類設(shè)備。 典型的高速設(shè)備有磁帶機(jī)、 磁盤機(jī)、 光盤機(jī)等。 第五章 設(shè) 備 管 理 2) 按信息交換的單位分類 可將I/O設(shè)備分成兩類。第一類是塊設(shè)備(Block Device)，這類設(shè)備用于存儲(chǔ)信息。 由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位， 故而得名。 它屬于有結(jié)構(gòu)設(shè)備。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個(gè)盤塊的大小為512 B4 KB。磁盤設(shè)備的基本特征是其傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；另一特征是可尋址，即對(duì)它可隨機(jī)

3、地讀/寫任一塊；此外，磁盤設(shè)備的I/O常采用DMA方式。 第二類是字符設(shè)備(Character Device)，用于數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 其基本單位是字符， 故稱為字符設(shè)備。第五章 設(shè) 備 管 理 3) 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) (2) 共享設(shè)備。 (3) (3) 虛擬設(shè)備。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備與控制器之間的接口設(shè)備與控制器之間的接口 圖 5-1 設(shè)備與控制器間的接口 緩沖轉(zhuǎn)換器控制邏輯信號(hào)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)信號(hào)線狀態(tài)信號(hào)線控制信號(hào)線至設(shè)備控制器I/O設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 5.1.2 設(shè)備控制器設(shè)備控制器1. 設(shè)備控制器的

4、基本功能設(shè)備控制器的基本功能 1) 接收和識(shí)別命令 2) 2) 數(shù)據(jù)交換 3) 3) 標(biāo)識(shí)和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài) 4) 4) 地址識(shí)別 5) 5) 數(shù)據(jù)緩沖 6) 6) 差錯(cuò)控制 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成 圖 5-2 設(shè)備控制器的組成 數(shù)據(jù)寄存器控制/狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)線I/O邏輯控制器與設(shè)備接口1控制器與設(shè)備接口i數(shù)據(jù)狀態(tài)控制數(shù)據(jù)狀態(tài)控制地址線控制線CPU與控制器接口控制器與設(shè)備接口第五章 設(shè) 備 管 理 5.1.3 I/O通道通道 1. I/O通道通道(I/O Channel)設(shè)備的引入設(shè)備的引入 實(shí)際上，I/O通道是一種特殊的處理機(jī)。它具有執(zhí)行I/O指令的能力

5、，并通過執(zhí)行通道(I/O)程序來控制I/O操作。但I(xiàn)/O通道又與一般的處理機(jī)不同，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面： 一是其指令類型單一，這是由于通道硬件比較簡(jiǎn)單， 其所能執(zhí)行的命令，主要局限于與I/O操作有關(guān)的指令； 再就是通道沒有自己的內(nèi)存，通道所執(zhí)行的通道程序是放在主機(jī)的內(nèi)存中的， 換言之，是通道與CPU共享內(nèi)存。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 通道類型通道類型 1) 字節(jié)多路通道(Byte Multiplexor Channel) 圖 5-3 字節(jié)多路通道的工作原理 控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3子通道AB1B2B3子通道BC1C2C3子通道CN1N2N3子通道NA1B1C

6、1A2B2C2設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 2) 數(shù)組選擇通道(Block Selector Channel) 字節(jié)多路通道不適于連接高速設(shè)備，這推動(dòng)了按數(shù)組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的數(shù)組選擇通道的形成。這種通道雖然可以連接多臺(tái)高速設(shè)備，但由于它只含有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序， 控制一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送， 致使當(dāng)某臺(tái)設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨(dú)占， 即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置， 也不允許其它設(shè)備使用該通道， 直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。可見，這種通道的利用率很低。 第五章 設(shè) 備 管 理 3) 數(shù)組多路通道(Block Multiplexor Channel) 數(shù)組選

7、擇通道雖有很高的傳輸速率，但它卻每次只允許一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道傳輸速率高和字節(jié)多路通道能使各子通道(設(shè)備)分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合而形成的一種新通道。它含有多個(gè)非分配型子通道， 因而這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。也正因此，才使該通道能被廣泛地用于連接多臺(tái)高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行的。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. “瓶頸瓶頸”問題問題 圖 5-4 單通路I/O系統(tǒng) 設(shè)備1設(shè)備2設(shè)備3設(shè)備4設(shè)備5設(shè)備6設(shè)備7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存儲(chǔ)器第五章 設(shè) 備 管 理 圖 5-5 多通路I/O系統(tǒng) I/O

8、設(shè)備控制器1控制器2通道1通道2存儲(chǔ)器I/O設(shè)備I/O設(shè)備I/O設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 5.1.4 總線系統(tǒng)總線系統(tǒng) 圖 5-6 總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu) CPU存儲(chǔ)器磁盤控制器打印機(jī)控制器其它控制器磁盤驅(qū)動(dòng)器打印機(jī)系統(tǒng)總線第五章 設(shè) 備 管 理 1. ISA和和EISA總線總線 1) ISA(Industry Standard Architecture)總線 這是為了1984年推出的80286型微機(jī)而設(shè)計(jì)的總線結(jié)構(gòu)。 其總線的帶寬為8位，最高傳輸速率為2 Mb/s。之后不久又推出了16位的(EISA)總線，其最高傳輸速率為8 Mb/s，后又升至16 Mb/s， 能連接12臺(tái)設(shè)備。 2) EI

9、SA(Extended ISA)總線 到80年代末期，ISA總線已難于滿足帶寬和傳輸速率的要求， 于是人們又開發(fā)出擴(kuò)展ISA(EISA)總線，其帶寬為32位，總線的傳輸速率高達(dá)32 Mb/s，同樣可以連接12臺(tái)外部設(shè)備。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 局部總線局部總線(Local Bus) 1) VESA(Video Electronic Standard Association)總線 2) 2) PCI(Peripheral Component Interface)總線 第五章 設(shè) 備 管 理 5.2 I/O控制方式控制方式 5.2.1 程序程序I/O方式方式 在程序I/O方式中，由于CPU

10、的高速性和I/O設(shè)備的低速性， 致使CPU的絕大部分時(shí)間都處于等待I/O設(shè)備完成數(shù)據(jù)I/O的循環(huán)測(cè)試中， 造成對(duì)CPU的極大浪費(fèi)。在該方式中，CPU之所以要不斷地測(cè)試I/O設(shè)備的狀態(tài)，就是因?yàn)樵贑PU中無中斷機(jī)構(gòu)， 使I/O設(shè)備無法向CPU報(bào)告它已完成了一個(gè)字符的輸入操作。 第五章 設(shè) 備 管 理 圖 5-7 程序I/O和中斷驅(qū)動(dòng)方式的流程 向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀入字向存儲(chǔ)器中寫字傳送完成？未就緒就緒出錯(cuò)CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 內(nèi)存下條指令完成未完向I/O控制器發(fā)讀命令讀I/O控制器的狀態(tài)檢查狀態(tài)？從I/O控制器中讀字向內(nèi)存中

11、寫字傳送完成？就緒出錯(cuò)CPUI/OI/OCPUI/OCPUCPU 內(nèi)存下條指令完成未完中斷CPU做其它事向I/O控制器發(fā)布讀塊命令CPUDMACPU做其它事讀DMA控制器的狀態(tài)中斷DMACPU下條指令(a) 程序I/O方式(b) 中斷驅(qū)動(dòng)方式(c) DMA方式第五章 設(shè) 備 管 理 5.2.2 中斷驅(qū)動(dòng)中斷驅(qū)動(dòng)I/O控制方式控制方式 在I/O設(shè)備輸入每個(gè)數(shù)據(jù)的過程中，由于無須CPU干預(yù)，因而可使CPU與I/O設(shè)備并行工作。僅當(dāng)輸完一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，才需CPU花費(fèi)極短的時(shí)間去做些中斷處理?？梢?，這樣可使CPU和I/O設(shè)備都處于忙碌狀態(tài)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率及吞吐量。例如，從終端輸入一個(gè)字符的

12、時(shí)間約為100 ms， 而將字符送入終端緩沖區(qū)的時(shí)間小于 0.1 ms。 若采用程序I/O方式，CPU約有 99.9 ms的時(shí)間處于忙等待中。 采用中斷驅(qū)動(dòng)方式后，CPU可利用這 99.9 ms的時(shí)間去做其它事情，而僅用 0.1 ms的時(shí)間來處理由控制器發(fā)來的中斷請(qǐng)求。 可見，中斷驅(qū)動(dòng)方式可以成百倍地提高CPU的利用率。 第五章 設(shè) 備 管 理 5.2.3 直接存儲(chǔ)器訪問直接存儲(chǔ)器訪問DMA I/O控制方式控制方式 1. DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入控制方式的引入 該方式的特點(diǎn)是： 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(gè)數(shù)據(jù)

13、塊； 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； 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?？梢姡珼MA方式較之中斷驅(qū)動(dòng)方式，又是成百倍地減少了CPU對(duì)I/O的干預(yù)，進(jìn)一步提高了CPU與I/O設(shè)備的并行操作程度。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. DMA控制器的組成控制器的組成 圖 5-8 DMA控制器的組成 DRMARDCCRI/O控制邏輯主機(jī)控制器接口控制器與塊設(shè)備接口count內(nèi)存CPU命令系統(tǒng)總線DMA控制器第五章 設(shè) 備 管 理 為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換， 必須在DMA控制器中設(shè)置如下四類寄存器： (1) 命令

14、/狀態(tài)寄存器CR。用于接收從CPU發(fā)來的I/O命令或有關(guān)控制信息， 或設(shè)備的狀態(tài)。 (2) 內(nèi)存地址寄存器MAR。在輸入時(shí)，它存放把數(shù)據(jù)從設(shè)備傳送到內(nèi)存的起始目標(biāo)地址；在輸出時(shí)，它存放由內(nèi)存到設(shè)備的內(nèi)存源地址。 (3) 數(shù)據(jù)寄存器DR。用于暫存從設(shè)備到內(nèi)存，或從內(nèi)存到設(shè)備的數(shù)據(jù)。 (4) 數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DC。 存放本次CPU要讀或?qū)懙淖?節(jié))數(shù)。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. DMA工作過程工作過程 圖 5-9 DMA方式的工作流程 設(shè)置AR和DC初值啟動(dòng)DMA傳送命令挪用存儲(chǔ)器周期傳送數(shù)據(jù)字存儲(chǔ)器地址增1字計(jì)數(shù)寄存器減1DC0?請(qǐng)求中斷在繼續(xù)執(zhí)行用戶程序的同時(shí),準(zhǔn)備又一次傳送否是第五章 設(shè) 備

15、管 理 5.2.4 I/O通道控制方式通道控制方式 1. I/O通道控制方式的引入通道控制方式的引入 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(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)，減少為對(duì)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(shí)，又可實(shí)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(gè)系統(tǒng)的資源利用率。例如，當(dāng)CPU要完成一組相關(guān)的讀(或?qū)?操作及有關(guān)控制時(shí)，只需向I/O通道發(fā)送一條I/O指令，以給出其所要執(zhí)行的通道程序的首址和要訪問的I/O設(shè)備，通道接到該指令后，通過執(zhí)行通道程序便可完成CPU指定的I/O任務(wù)。 第五章 設(shè) 備 管 理

16、 2. 通道程序通道程序 (1) 操作碼。 (2) (2) 內(nèi)存地址。 (3) (3) 計(jì)數(shù)。 (4) (4) 通道程序結(jié)束位P。 (5) (5) 記錄結(jié)束標(biāo)志R。 第五章 設(shè) 備 管 理 操作 PR計(jì)數(shù)內(nèi)存地址WRITE 0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720第五章 設(shè) 備 管 理 5.3 緩緩 沖沖 管管 理理 5.3.1 緩沖的引入緩沖的引入 (1) 緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。 (2) (2) 減少對(duì)CPU的中斷頻率， 放寬對(duì)CPU中斷響應(yīng)時(shí)間的限制。 (3)

17、(3) 提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。 第五章 設(shè) 備 管 理 圖 5-10 利用緩沖寄存器實(shí)現(xiàn)緩沖 1位緩沖9.6 Kb/s8位緩沖寄存器送內(nèi)存9.6 Kb/s8位緩沖寄存器9.6 Kb/s送內(nèi)存(b)(a)(c)第五章 設(shè) 備 管 理 5.3.2 單緩沖和雙緩沖單緩沖和雙緩沖 1. 單緩沖單緩沖(Single Buffer) 工作區(qū)處理(C)緩沖區(qū)傳送(M)輸入(T)I/O設(shè)備(a)T1M1C1T2M2C2T3M3C3T4t(b)用戶進(jìn)程圖 5-11 單緩沖工作示意圖 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 雙緩沖雙緩沖(Double Buffer) 工作區(qū)用戶進(jìn)程緩沖區(qū)1緩沖區(qū)2I/O 設(shè)備

18、T1(緩沖1)M1C1M2C2M3C3T2(緩沖2)T3(緩沖3)M4C4T4(緩沖4)(a)(b)圖 5-12 雙緩沖工作示意圖 第五章 設(shè) 備 管 理 圖 5-13 雙機(jī)通信時(shí)緩沖區(qū)的設(shè)置 緩沖區(qū)緩沖區(qū)A機(jī)B機(jī)(a) 單緩沖發(fā)送緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)接收緩沖區(qū)發(fā)送緩沖區(qū)A機(jī)B機(jī)(b) 雙緩沖第五章 設(shè) 備 管 理 5.3.3 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖 1. 循環(huán)緩沖的組成循環(huán)緩沖的組成 圖 5-14 循環(huán)緩沖 RGGGRG165423NextiNextgRGGGRC165423NextiNextgcurrent第五章 設(shè) 備 管 理 2. 循環(huán)緩沖區(qū)的使用循環(huán)緩沖區(qū)的使用 (1) Getbuf過程。(2

19、) (2) Releasebuf過程。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 進(jìn)程同步進(jìn)程同步 (1) Nexti指針追趕上Nextg指針。(2) (2) Nextg指針追趕上Nexti指針。 第五章 設(shè) 備 管 理 5.3.4 緩沖池緩沖池(Buffer Pool) 1. 緩沖池的組成緩沖池的組成 1. 緩沖池的組成緩沖池的組成 對(duì)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)。 為了管理上的方便，可將相同類型的緩沖區(qū)鏈成一個(gè)隊(duì)列，于是可形成以下三個(gè)隊(duì)列： （1）空緩沖隊(duì)列emq。 (2) 輸入隊(duì)列inq

20、。 (3) 輸出隊(duì)列outq。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. Getbuf過程和過程和Putbuf過程過程 Procedure Getbuf(type) begin Wait(RS(type); Wait(MS(type); B(number) KG-*3=Takebuf(type); Signal(MS(type); end Procedure Putbuf(type, number) begin Wait(MS(type); Addbuf(type, number); Signal(MS(type); Signal(RS(type); end 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 緩沖區(qū)的工作方式

21、緩沖區(qū)的工作方式 圖 5-15 緩沖區(qū)的工作方式 hinsoutsinhout收容輸入提取輸出用戶程序提取輸入收容輸出緩沖池第五章 設(shè) 備 管 理 5.4 設(shè)設(shè) 備備 分分 配配 5.4.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1. 設(shè)備控制表設(shè)備控制表DCT 設(shè)備類型 type設(shè)備標(biāo)識(shí)符：deviceid設(shè)備狀態(tài)：等待/不等待 忙/閑指向控制器表的指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時(shí)間設(shè)備隊(duì)列的隊(duì)首指針DCT 1DCT 2DCT n設(shè)備控制表集合圖 5-16 設(shè)備控制表 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 控制器控制表、控制器控制表、 通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表通道控制表和系統(tǒng)設(shè)備表 圖 5-17 COCT、

22、CHCT和SDT表 (c) 系統(tǒng)設(shè)備表SDT控制器標(biāo)識(shí)符：controllerid控制器狀態(tài)：忙/閑與控制器連接的通道表指針控制器隊(duì)列的隊(duì)首指針控制器隊(duì)列的隊(duì)尾指針通道標(biāo)識(shí)符：channelid通道狀態(tài)：忙/閑與通道連接的控制器表首址通道隊(duì)列的隊(duì)首指針通道隊(duì)列的隊(duì)尾指針(a) 控制器表COCT(b) 通道表CHCT表目1表目i設(shè)備類設(shè)備標(biāo)識(shí)符DCT驅(qū)動(dòng)程序入口第五章 設(shè) 備 管 理 5.4.2 設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮的因素 1. 設(shè)備的固有屬性設(shè)備的固有屬性 (1) 獨(dú)享設(shè)備。(2) (2) 共享設(shè)備。 (3) 虛擬設(shè)備。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備分配算法設(shè)備分配算法

23、 (1) 先來先服務(wù)。 (2) (2) 優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 設(shè)備分配中的安全性設(shè)備分配中的安全性 1) 安全分配方式 2) 2) 不安全分配方式 第五章 設(shè) 備 管 理 5.4.3 設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性 1. 設(shè)備獨(dú)立性設(shè)備獨(dú)立性(Device Independence)的概念的概念 為了提高OS的可適應(yīng)性和可擴(kuò)展性，在現(xiàn)代OS中都毫無例外地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性，也稱為設(shè)備無關(guān)性。 其基本含義是： 應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性而引入了邏輯設(shè)備和物理設(shè)備這兩個(gè)概念。在應(yīng)用程序中， 使用邏輯設(shè)備名稱來請(qǐng)求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實(shí)際執(zhí)行時(shí)， 還必須使用

24、物理設(shè)備名稱。因此，系統(tǒng)須具有將邏輯設(shè)備名稱轉(zhuǎn)換為某物理設(shè)備名稱的功能，這非常類似于存儲(chǔ)器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。 第五章 設(shè) 備 管 理 在實(shí)現(xiàn)了設(shè)備獨(dú)立性的功能后， 可帶來以下兩方面的好處。 1) 設(shè)備分配時(shí)的靈活性 2) 易于實(shí)現(xiàn)I/O重定向 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件 1) 執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作 這些公有操作包括： 對(duì)獨(dú)立設(shè)備的分配與回收； 將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序； 對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，禁止用戶直接訪問設(shè)備； 緩沖管理，即對(duì)字符設(shè)備和塊設(shè)備的緩沖區(qū)進(jìn)行有效的管理， 以提高I/O的效率； 差錯(cuò)控制。

25、由于在I/O操作中的絕大多數(shù)錯(cuò)誤都與設(shè)備無關(guān)，故主要由設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理，而設(shè)備獨(dú)立性軟件只處理那些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序無法處理的錯(cuò)誤。第五章 設(shè) 備 管 理 2) 向用戶層(或文件層)軟件提供統(tǒng)一接口 無論何種設(shè)備， 它們向用戶所提供的接口應(yīng)該是相同的。 例如， 對(duì)各種設(shè)備的讀操作，在應(yīng)用程序中都使用read; 而對(duì)各種設(shè)備的寫操作，也都使用write。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實(shí)現(xiàn) 1) 邏輯設(shè)備表2) 2) LUT的設(shè)置問題 圖 5-18 邏輯設(shè)備表 邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動(dòng)程序入口地址/dev/tty/dev/printer351

26、0242046邏輯設(shè)備名/dev/tty/dev/printer系統(tǒng)設(shè)備表指針35(a)(b)第五章 設(shè) 備 管 理 5.4.4 獨(dú)占設(shè)備的分配程序獨(dú)占設(shè)備的分配程序 1. 基本的設(shè)備分配程序基本的設(shè)備分配程序 1) 分配設(shè)備 2) 2) 分配控制器 3) 3) 分配通道 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備分配程序的改進(jìn)設(shè)備分配程序的改進(jìn) 1) 增加設(shè)備的獨(dú)立性2) 3) 2) 考慮多通路情況 第五章 設(shè) 備 管 理 5.4.5 SPOOLing技術(shù)技術(shù) 1. 什么是什么是SPOOLing 為了緩和CPU的高速性與I/O設(shè)備低速性間的矛盾而引入了脫機(jī)輸入、 脫機(jī)輸出技術(shù)。 該技術(shù)是利用專門的外

27、圍控制機(jī)， 將低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；或者相反。事實(shí)上， 當(dāng)系統(tǒng)中引入了多道程序技術(shù)后，完全可以利用其中的一道程序，來模擬脫機(jī)輸入時(shí)的外圍控制機(jī)功能，把低速I/O設(shè)備上的數(shù)據(jù)傳送到高速磁盤上；再用另一道程序來模擬脫機(jī)輸出時(shí)外圍控制機(jī)的功能，把數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速輸出設(shè)備上。這樣，便可在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、 輸出功能。 此時(shí)的外圍操作與CPU對(duì)數(shù)據(jù)的處理同時(shí)進(jìn)行， 我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時(shí)外圍操作稱為SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或稱為假脫機(jī)操作。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. SPO

28、OLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 圖 5-19 SPOOLing系統(tǒng)的組成 輸入進(jìn)程SPi輸入進(jìn)程SPo輸入緩沖區(qū)Bi輸出緩沖區(qū)Bo輸入井輸出井磁盤輸入設(shè)備輸出設(shè)備第五章 設(shè) 備 管 理 3. 共享打印機(jī)共享打印機(jī) 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(qǐng)求打印輸出時(shí)， 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(qǐng)一個(gè)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(qǐng)一張空白的用戶請(qǐng)求打印表，并將用戶的打印要求填入其中， 再將該表掛到請(qǐng)求打印隊(duì)列上。 第五章 設(shè) 備

29、管 理 4. SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)系統(tǒng)的特點(diǎn) (1) 提高了I/O的速度。 (2) (2) 將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。 (3) (3) 實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能。 第五章 設(shè) 備 管 理 5.5 設(shè)設(shè) 備備 處處 理理 5.5.1 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能和特點(diǎn) 1. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的功能 (1) 接收由I/O進(jìn)程發(fā)來的命令和參數(shù)， 并將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求，例如，將磁盤塊號(hào)轉(zhuǎn)換為磁盤的盤面、 磁道號(hào)及扇區(qū)號(hào)。 (2) 檢查用戶I/O請(qǐng)求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。 第五章 設(shè) 備 管 理 (3) 發(fā)出I/O命令

30、，如果設(shè)備空閑，便立即啟動(dòng)I/O設(shè)備去完成指定的I/O操作；如果設(shè)備處于忙碌狀態(tài)，則將請(qǐng)求者的請(qǐng)求塊掛在設(shè)備隊(duì)列上等待。 (4) 及時(shí)響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請(qǐng)求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理。 (5) 對(duì)于設(shè)置有通道的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請(qǐng)求，自動(dòng)地構(gòu)成通道程序。 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 設(shè)備處理方式設(shè)備處理方式 (1) 為每一類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作 . (2) 在整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作。 (3) 不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序(

31、模塊)， 供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn) (1) 驅(qū)動(dòng)程序主要是指在請(qǐng)求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個(gè)通信和轉(zhuǎn)換程序。 (2) 驅(qū)動(dòng)程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)， 因而對(duì)不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動(dòng)程序。 (3) 驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)。 (4) 由于驅(qū)動(dòng)程序與硬件緊密相關(guān)， 因而其中的一部分必須用匯編語言書寫。 第五章 設(shè) 備 管 理 5.5.2 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的處理過程 1. 將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求 2. 2. 檢查檢查I/O請(qǐng)求

32、的合法性請(qǐng)求的合法性 3. 3. 讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài) 4. 4. 傳送必要的參數(shù)傳送必要的參數(shù) 5. 5. 工作方式的設(shè)置工作方式的設(shè)置 6. 6. 啟動(dòng)啟動(dòng)I/O設(shè)備設(shè)備 第五章 設(shè) 備 管 理 圖 5-20 中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)示意圖 PSW程序狀態(tài)字PC(N1)程序計(jì)數(shù)器R0Rn寄存器開始返回用戶程序中斷服務(wù)子例程PSWPC(N1)中斷棧TTM線指針YNN1R0Rn第五章 設(shè) 備 管 理 喚醒被阻塞的驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程對(duì)被中斷進(jìn)程的CPU環(huán)境進(jìn)行保護(hù)分析中斷原因，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序終端中斷處理程序打印機(jī)中斷處理程序磁盤中斷處理程序恢復(fù)被中斷進(jìn)程的CPU現(xiàn)場(chǎng)返回被中斷的進(jìn)程，繼

33、續(xù)執(zhí)行中斷請(qǐng)求信號(hào)圖 5-21 中斷處理流程第五章 設(shè) 備 管 理 5.6 磁盤存儲(chǔ)器管理磁盤存儲(chǔ)器管理5.6.1 磁盤性能簡(jiǎn)述磁盤性能簡(jiǎn)述 1. 數(shù)據(jù)的組織和格式數(shù)據(jù)的組織和格式 Gap102031292293Field GapField GapGap FieldGap FieldGap17741515201774151520IDDataIDDataGap1292293Field GapField1774151520IDDataSectorPhysical Sector 0Physical Sector 1Physical Sector 29BytesSynchByteTrack#Head#

34、Sector#Bytes 1211CRC3SynchByteDataCRC15122600 Bytes/SectorGap圖 5-22 磁盤的格式化 第五章 設(shè) 備 管 理 2. 磁盤的類型磁盤的類型 1) 固定頭磁盤 這種磁盤在每條磁道上都有一讀/寫磁頭，所有的磁頭都被裝在一剛性磁臂中。通過這些磁頭可訪問所有各磁道，并進(jìn)行并行讀/寫，有效地提高了磁盤的I/O速度。 這種結(jié)構(gòu)的磁盤主要用于大容量磁盤上。 2) 移動(dòng)頭磁盤 每一個(gè)盤面僅配有一個(gè)磁頭，也被裝入磁臂中。為能訪問該盤面上的所有磁道，該磁頭必須能移動(dòng)以進(jìn)行尋道。可見，移動(dòng)磁頭僅能以串行方式讀/寫，致使其I/O速度較慢；但由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，

35、 故仍廣泛應(yīng)用于中小型磁盤設(shè)備中。 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 磁盤訪問時(shí)間磁盤訪問時(shí)間 1) 尋道時(shí)間Ts 這是指把磁臂(磁頭)移動(dòng)到指定磁道上所經(jīng)歷的時(shí)間。該時(shí)間是啟動(dòng)磁臂的時(shí)間s與磁頭移動(dòng)n條磁道所花費(fèi)的時(shí)間之和， 即Ts=mn+s其中，m是一常數(shù)，與磁盤驅(qū)動(dòng)器的速度有關(guān)，對(duì)一般磁盤， m=0.2；對(duì)高速磁盤，m0.1,磁臂的啟動(dòng)時(shí)間約為2 ms。 這樣，對(duì)一般的溫盤， 其尋道時(shí)間將隨尋道距離的增加而增大， 大體上是530 ms。 第五章 設(shè) 備 管 理 2) 旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間T 這是指定扇區(qū)移動(dòng)到磁頭下面所經(jīng)歷的時(shí)間。對(duì)于硬盤，典型的旋轉(zhuǎn)速度大多為5400 r/min，每轉(zhuǎn)需時(shí)11.1

36、ms，平均旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間T為5.55 ms；對(duì)于軟盤，其旋轉(zhuǎn)速度為300 r/min或600 r/min，這樣，平均T為50100 ms。 第五章 設(shè) 備 管 理 3) 傳輸時(shí)間Tt 這是指把數(shù)據(jù)從磁盤讀出或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時(shí)間。 Tt的大小與每次所讀/寫的字節(jié)數(shù)b和旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)： rNbTt其中，r為磁盤每秒鐘的轉(zhuǎn)數(shù)；N為一條磁道上的字節(jié)數(shù)， 當(dāng)一次讀/寫的字節(jié)數(shù)相當(dāng)于半條磁道上的字節(jié)數(shù)時(shí)，Tt與T相同， 因此， 可將訪問時(shí)間Ta表示為： rNbrTTsa21第五章 設(shè) 備 管 理 5.6.2 磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度1. 先來先服務(wù)先來先服務(wù)FCFS(First-Come, First Ser

37、ved) 圖 5-23 FCFS調(diào)度算法第五章 設(shè) 備 管 理 2. 最短尋道時(shí)間優(yōu)先最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF(Shortest Seek Time First) 圖 5-24 SSTF調(diào)度算法 第五章 設(shè) 備 管 理 3. 掃描掃描(SCAN)算法算法 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(gè)進(jìn)程發(fā)生“饑餓”(Starvation)現(xiàn)象。因?yàn)橹灰粩嘤行逻M(jìn)程的請(qǐng)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(qǐng)求必須優(yōu)先滿足。對(duì)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。 第五章 設(shè) 備 管

38、 理 2) SCAN算法 圖 5-25 SCAN調(diào)度算法示例第五章 設(shè) 備 管 理 4. 循環(huán)掃描循環(huán)掃描(CSCAN)算法算法 圖 5-26 CSCAN調(diào)度算法示例第五章 設(shè) 備 管 理 5. N-Step-SCAN和和FSCAN調(diào)度算法調(diào)度算法 1) N-Step-SCAN算法 在SSTF、 SCAN及CSCAN幾種調(diào)度算法中， 都可能出現(xiàn)磁臂停留在某處不動(dòng)的情況， 例如，有一個(gè)或幾個(gè)進(jìn)程對(duì)某一磁道有較高的訪問頻率， 即這個(gè)(些)進(jìn)程反復(fù)請(qǐng)求對(duì)某一磁道的I/O操作，從而壟斷了整個(gè)磁盤設(shè)備。 我們把這一現(xiàn)象稱為“磁臂粘著”(Armstickiness)。在高密度磁盤上容易出現(xiàn)此情況。 N步S

39、CAN算法是將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成若干個(gè)長(zhǎng)度為N的子隊(duì)列，磁盤調(diào)度將按FCFS算法依次處理這些子隊(duì)列。 而每處理一個(gè)隊(duì)列時(shí)又是按SCAN算法，對(duì)一個(gè)隊(duì)列處理完后，再處理其他隊(duì)列。 當(dāng)正在處理某子隊(duì)列時(shí)，如果又出現(xiàn)新的磁盤I/O請(qǐng)求，便將新請(qǐng)求進(jìn)程放入其他隊(duì)列，這樣就可避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象。 當(dāng)N值取得很大時(shí)，會(huì)使N步掃描法的性能接近于SCAN算法的性能； 當(dāng)N=1時(shí)， N步SCAN算法便蛻化為FCFS算法。 第五章 設(shè) 備 管 理 2) FSCAN算法 FSCAN算法實(shí)質(zhì)上是N步SCAN算法的簡(jiǎn)化， 即FSCAN只將磁盤請(qǐng)求隊(duì)列分成兩個(gè)子隊(duì)列。一個(gè)是由當(dāng)前所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程形成的隊(duì)列，由磁盤調(diào)度按SCAN算法進(jìn)行處理。在掃描期間，將新出現(xiàn)的所有請(qǐng)求磁盤I/O的進(jìn)程， 放入另一個(gè)等待處理的請(qǐng)求隊(duì)列