計算機(jī)操作系統(tǒng)設(shè)備管理課件

1、制作者：張曉艷制作者：張曉艷 2010年年5月月第四章第四章 設(shè)備管理設(shè)備管理設(shè)備管理程序的功能設(shè)備管理程序的功能： （1）提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口。）提供和進(jìn)程管理系統(tǒng)的接口。 （2）進(jìn)行設(shè)備分類。按照設(shè)備類型和相應(yīng)的分配算法把設(shè)）進(jìn)行設(shè)備分類。按照設(shè)備類型和相應(yīng)的分配算法把設(shè)備和其他有關(guān)的硬件分別給請求該設(shè)備的進(jìn)程，并把未分配到備和其他有關(guān)的硬件分別給請求該設(shè)備的進(jìn)程，并把未分配到所請求設(shè)備或其他有關(guān)硬件的進(jìn)程放入等待隊列。所請求設(shè)備或其他有關(guān)硬件的進(jìn)程放入等待隊列。 （3）實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和）實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU等之間的并行操作。等之間的并行操作。 （4）進(jìn)行緩沖管理，解決低

2、速）進(jìn)行緩沖管理，解決低速I/O設(shè)備與高速設(shè)備與高速CPU之間傳送之間傳送數(shù)據(jù)不匹配問題。數(shù)據(jù)不匹配問題。4.3 緩沖管理緩沖管理 引入緩沖技術(shù)的目的引入緩沖技術(shù)的目的 改善中央處理器與外圍設(shè)備之間速度不配的矛盾，凡是數(shù)據(jù)到達(dá)和離去速度不匹配的地方均可采用緩沖技術(shù)。 減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的限制， 提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。緩沖技術(shù)實現(xiàn)的基本思想：緩沖技術(shù)實現(xiàn)的基本思想： 進(jìn)程執(zhí)行寫操作進(jìn)程執(zhí)行寫操作輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，若為順序?qū)懻埱?，則不斷把請一個緩沖區(qū)，若為順序?qū)懻埱?，則不斷把數(shù)據(jù)填到緩沖區(qū)，直到被裝滿。此后，進(jìn)程數(shù)據(jù)填到緩

3、沖區(qū)，直到被裝滿。此后，進(jìn)程繼續(xù)它的計算，系統(tǒng)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫到繼續(xù)它的計算，系統(tǒng)將緩沖區(qū)內(nèi)容寫到I/O設(shè)設(shè)備上。備上。 進(jìn)程執(zhí)行讀操作進(jìn)程執(zhí)行讀操作輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)時，向系統(tǒng)申請時，向系統(tǒng)申請一個緩沖區(qū)，系統(tǒng)將一個物理記錄的內(nèi)容讀一個緩沖區(qū)，系統(tǒng)將一個物理記錄的內(nèi)容讀到緩沖區(qū)，根據(jù)進(jìn)程要求，把當(dāng)前需要的邏到緩沖區(qū)，根據(jù)進(jìn)程要求，把當(dāng)前需要的邏輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進(jìn)程。輯記錄從緩沖區(qū)中選出并傳送給進(jìn)程。 在輸出數(shù)據(jù)時，只有在系統(tǒng)還來不及騰空在輸出數(shù)據(jù)時，只有在系統(tǒng)還來不及騰空緩沖而進(jìn)程又要寫數(shù)據(jù)時，它才需要等待；緩沖而進(jìn)程又要寫數(shù)據(jù)時，它才需要等待； 在輸入數(shù)據(jù)時，僅當(dāng)緩沖區(qū)空而進(jìn)程又要

4、在輸入數(shù)據(jù)時，僅當(dāng)緩沖區(qū)空而進(jìn)程又要從從中讀取數(shù)據(jù)時，它才被迫等待。中讀取數(shù)據(jù)時，它才被迫等待。 根據(jù)系統(tǒng)對緩沖區(qū)的不同設(shè)置，可把緩沖根據(jù)系統(tǒng)對緩沖區(qū)的不同設(shè)置，可把緩沖技技術(shù)分為以下幾類：術(shù)分為以下幾類：v 單緩沖單緩沖v 雙緩沖雙緩沖v 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖v 緩沖池緩沖池單緩沖單緩沖 單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一種緩沖形式。每當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)。 對于塊設(shè)備塊設(shè)備,單緩沖機(jī)制如下工作： OS為進(jìn)程分配一緩沖區(qū)，塊設(shè)備輸入時從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)的時間為T，OS將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送給用戶區(qū)的時間為M，計算

5、時間為C，則T和C時可以并行的。數(shù)據(jù)處理時間約為 maxC，T+M。 對于字符設(shè)備字符設(shè)備,緩沖區(qū)用于暫存用戶輸入的一行數(shù)據(jù)，輸入時，進(jìn)程掛起等待輸入完畢；輸出時進(jìn)程將一行數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)，繼續(xù)執(zhí)行處理。如果前面的數(shù)據(jù)尚未提取完畢，則進(jìn)程應(yīng)阻塞。工作區(qū)用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程 處理機(jī)單緩沖輸入輸入(T)傳送傳送(M)I/O設(shè)備設(shè)備 緩沖區(qū)屬于臨界資源臨界資源，不允許多個進(jìn)程同時對一個緩沖區(qū)操作，讀、寫在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無法實現(xiàn)CPU與設(shè)備的并行操作。 緩沖區(qū)屬于臨界資源臨界資源，不允許多個進(jìn)程同時對一個緩沖區(qū)操作，讀、寫在單緩沖上互斥發(fā)生，因此單緩沖無法實現(xiàn)CPU與設(shè)備的并行操作。一次僅允

6、許一個進(jìn)程一次僅允許一個進(jìn)程訪問的資源稱為訪問的資源稱為臨界臨界資源資源。 硬件資源硬件資源 如打印機(jī)、如打印機(jī)、磁帶機(jī)等。磁帶機(jī)等。 軟件資源軟件資源 如共享變?nèi)绻蚕碜兞?、表格、隊列、棧量、表格、隊列、棧等。等。雙緩沖雙緩沖提高設(shè)備并行操作提高設(shè)備并行操作l 輸入數(shù)據(jù)時，首先填滿緩沖區(qū)A,操作系統(tǒng)可從緩沖區(qū)A把數(shù)據(jù)送到用戶進(jìn)程區(qū),用戶進(jìn)程便可對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工計算;與此同時,輸入設(shè)備填充緩沖區(qū)B。l 當(dāng)緩沖區(qū)A空出后，輸入設(shè)備再次向緩沖區(qū)1輸入。操作系統(tǒng)又可把緩沖區(qū)B的數(shù)據(jù)傳送到用戶進(jìn)程區(qū),用戶進(jìn)程開始加工緩沖B的數(shù)據(jù)。 雙緩沖工作區(qū)用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程處理機(jī)緩沖區(qū)A緩沖區(qū)BI/O設(shè)備設(shè)備寫讀 雙緩

7、沖工作區(qū)用戶進(jìn)程用戶進(jìn)程處理機(jī)緩沖區(qū)A緩沖區(qū)BI/O設(shè)備設(shè)備寫讀 如果CT，當(dāng)上一塊數(shù)據(jù)計算完畢后，需把一個緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)，花費時間為M，再對這塊數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，花費時間為C，所以，一塊數(shù)據(jù)的傳輸和處理時間為C+M、即max(C,T)+M，這種情況下進(jìn)程不必要等待I/O。 計算機(jī)系統(tǒng)中的外圍設(shè)備較多，讀/寫數(shù)據(jù)速度有很大的差異，在向緩沖區(qū)讀/寫數(shù)據(jù)的過程中，高速設(shè)備等待的情況仍然比較嚴(yán)重，設(shè)備利用率比較低。雙緩沖雙緩沖循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖 環(huán)形緩沖技術(shù)是在主存中分配一組大小相等的存儲區(qū)作為緩沖區(qū)，并將這些緩沖區(qū)鏈接起來，每個緩沖區(qū)中有一個指向下一個緩沖的指針，最后一個緩沖區(qū)的指針指向第一

8、個緩沖區(qū)，這樣n個緩沖區(qū)就成了一個環(huán)形。 三種類型的緩沖區(qū)：用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)R、已經(jīng)裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)G、以及計算進(jìn)程正在訪問的工作緩沖區(qū)C。 設(shè)置了四個指針。Current_W R RCGCGGNext iNext gCurrent_R循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖Nexti ：指示寫進(jìn)程下次可用的空緩沖區(qū)RCurrent_W R RCGCGGNext iNext gCurrent_R循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖Nextg ：指示讀進(jìn)程下一個可用的緩沖區(qū)GCurrent_W R R CGCGGNext iNext gCurrent_R 循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖Current_R: 指示讀進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū)Curren

9、t_W R RCGCGGNext iNext gCurrent_R循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖Current_W: 指示寫進(jìn)程正在使用的緩沖區(qū) v進(jìn)程同步問題進(jìn)程同步問題（1）Nexti指針追趕上Nextg指針。這意味著進(jìn)程輸入數(shù)據(jù)的速度大于進(jìn)程取數(shù)據(jù)的速度，已把全部緩沖區(qū)裝滿。此時，寫進(jìn)程應(yīng)阻塞，直到讀進(jìn)程把某個緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)全部提取完，使之成為空緩沖區(qū)R，并調(diào)用Releasebuf過程將它釋放時，才將寫進(jìn)程喚醒。（2）Nextg指針追趕上Nexti指針這意味著讀進(jìn)程取數(shù)據(jù)的速度高于寫進(jìn)程輸入數(shù)據(jù)的速度，使全部緩沖區(qū)都被抽空，讀進(jìn)程只能阻塞，直到寫進(jìn)程裝滿某個緩沖區(qū)，調(diào)用Releasebuf過程將它釋放時

10、，才去喚醒計算進(jìn)程。Current_W R RCGC G GNext iNext gCurrent_R循環(huán)緩沖循環(huán)緩沖v 循環(huán)緩沖區(qū)的使用循環(huán)緩沖區(qū)的使用（1）訪問緩沖區(qū)的過程Getbuf ： Current_R= Nextg ; Nextg = Nextg next; 讀操作； Current_W = Nexti ; Nexti = Nexti next; 寫操作；（2）釋放緩沖區(qū)過程Releasebuf：Current_R state= R; (讀完） Current_W state= G; (寫完） 循環(huán)緩沖 循環(huán)緩沖區(qū)僅適用于某特定的I/O進(jìn)程和計算進(jìn)程，屬于專用緩沖，共享程度低。當(dāng)系

11、統(tǒng)較大時，將會有許多這樣的緩沖區(qū)，這不僅要消耗大量的內(nèi)存空間，而且其利用率不高。緩沖池緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩池。1緩沖池的組成緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個隊列： u 空緩沖隊列emqu 輸入隊列inqu 輸出隊列outq 緩沖池緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩池。1緩沖池的組成緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個隊列： u 空緩沖隊列emqu 輸入

12、隊列inqu 輸出隊列outq 隊首指針F(emq)和隊尾指針L(emq)分別指向該隊列的首緩沖區(qū)和尾緩沖區(qū)。緩沖池緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩沖池。1緩沖池的組成緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個隊列： u 空緩沖隊列emqu 輸入隊列inqu 輸出隊列outq 隊首指針F(inq)和隊尾指針L(inq)分別指向該隊列的首緩沖區(qū)和尾緩沖區(qū)。緩沖池緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩沖池。1緩沖池的組成緩沖池的組成 緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿

13、輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。 為了管理將相同類型的緩沖區(qū)鏈成三個隊列： u 空緩沖隊列emqu 輸入隊列inqu 輸出隊列outq 隊首指針F(outq)和隊尾指針L(outq)分別指向該隊列的首緩沖區(qū)和尾緩沖區(qū)。除了上述三種隊列外，還應(yīng)具有四種工作緩區(qū)：除了上述三種隊列外，還應(yīng)具有四種工作緩區(qū)： 用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hin； 用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sin； 用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)hout； 用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)sout；緩沖池緩沖池2. Ge

14、tbuf過程和Putbuf過程隊列是臨界資源臨界資源互斥且同步 信號量信號量 為使諸進(jìn)程能互斥地和同步地訪問緩沖池隊列，可分別為每一隊列設(shè)置一個互斥訪問信號量S1(type)，初值為1。 另外一個是資源同步信號量S2(type)，初值為n，表示該類緩沖區(qū)的數(shù)目。 按照type在相應(yīng)隊列上取隊首緩沖區(qū) Getbuf(type)V(S1(type)P(S1(type)P(S2(type)Getbuf與與Putbuf流程圖流程圖 Putbuf(type,num) V(S1(type)按照type將num號緩沖區(qū)掛到對應(yīng)緩沖隊列P(S1(type) V(S2(type)hinsouthoutsin 用

15、戶程序收容輸入 收容輸出 提取輸入提取輸出3.緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式3.緩沖區(qū)的工作方式緩沖區(qū)的工作方式1)收容輸入工作方式收容輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(emp) emp隊列的隊首摘下一個空緩沖區(qū) hin 輸入數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(inq，hin) 將hin掛到inq隊列的隊尾2)提取輸入工作方式提取輸入工作方式 調(diào)用Getbuf(inq) 輸入隊列的隊首摘下一個緩沖區(qū) sin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sin) 將sin掛到emp隊列的隊尾3)收容輸出工作方式收容輸出工作方式 調(diào)用Getbuf(emp) emp隊列的隊首摘下一個空緩沖區(qū) hout 輸出數(shù)據(jù) 調(diào)用P

16、utbuf(outq，hout) 將hout掛到outq隊列的隊尾4)提取輸出工作方式提取輸出工作方式 調(diào)用Getbuf(outp) 輸出隊列的隊首摘下一個緩沖區(qū) hin 提取數(shù)據(jù) 調(diào)用Putbuf(emp，sout) 將sout掛到emp隊列的隊尾設(shè)備分配的總原則（1）既要充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，又要避免由于不合理的分配方法而造成進(jìn)程死鎖（2）實現(xiàn)設(shè)備的獨立性，即把用戶程序和具體物理設(shè)備隔離開來。4.4設(shè)備分配設(shè)備分配 系統(tǒng)分配時要考慮的因素1.設(shè)備分配方式 靜態(tài)分配方式 不會出現(xiàn)死鎖 設(shè)備利用率低，一般不使用 動態(tài)分配方式 提高了設(shè)備利用率，但可能造成死鎖 1）先請求先分配 2）優(yōu)先級高者

17、先分配 系統(tǒng)分配時要考慮的因素2.設(shè)備特性 獨占設(shè)備 獨享分配策略(靜態(tài)分配） 設(shè)備利用率低 共享設(shè)備 虛擬設(shè)備 同時分配給多個進(jìn)程使用(動態(tài)分配) 合理調(diào)度訪問次序 系統(tǒng)分配時要考慮的因素3.設(shè)備分配中的安全性 安全分配方式 摒棄了“請求和保持”條件 CPU與I/O設(shè)備串行工作，進(jìn)程進(jìn)展緩慢 不安全分配方式 一個進(jìn)程可同時操作多個設(shè)備，進(jìn)程推進(jìn)迅速 可能造成死鎖，應(yīng)進(jìn)行安全性計算 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 1.設(shè)備控制表DCTDCT 1DCT 2DCT n設(shè)備類型 type設(shè)備標(biāo)識符設(shè)備地址設(shè)備狀態(tài)指向控制表的指針等待設(shè)備隊列指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù) 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 2.系統(tǒng)設(shè)備表SDT表目 1表

18、目i 設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識符DCT指針驅(qū)動程序入口 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 3.控制器控制表COCT控制器標(biāo)識符控制器狀態(tài)相連的通道表指針等待控制器隊列隊首指針等待控制器隊列隊尾指針 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) 4.通道控制表CHCT通道標(biāo)識符通道狀態(tài)相連的控制器指針等待通道隊列隊首指針等待通道隊列隊尾指針 設(shè)備分配算法 設(shè)備分配算法按物理設(shè)備名查SDT 找到相應(yīng)DCT忙？ 安全？等待等待分配設(shè)備找相連的COCT分配控制器找相連通道CHCT控制器忙？通道忙？分配通道開始I/O等待等待YNYYYNNN存儲器存儲器通道通道1通道通道2控制器控制器1控制器控制器1控制器控制器2控制器控制器2設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備2

19、設(shè)備設(shè)備3設(shè)備設(shè)備4設(shè)備設(shè)備6設(shè)備設(shè)備7設(shè)備設(shè)備5存儲器存儲器通道通道1通道通道2控制器控制器1控制器控制器3控制器控制器2設(shè)備設(shè)備1設(shè)備設(shè)備2設(shè)備設(shè)備3設(shè)備設(shè)備4設(shè)備設(shè)備6設(shè)備設(shè)備7設(shè)備設(shè)備5單通路I/O多通路I/O 設(shè)備獨立性設(shè)備獨立性 應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備u 設(shè)備分配時的靈活性設(shè)備分配時的靈活性u 易于實現(xiàn)易于實現(xiàn)I/O重定向重定向邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址/dev/tty11200/dev/print33021邏輯設(shè)備名系統(tǒng)設(shè)備表指針/dev/tty3/dev/print6 邏輯設(shè)備表（LUT） 用于單用戶系統(tǒng) 用于多用戶系統(tǒng) 4.

20、5 設(shè)備虛擬性設(shè)備虛擬性 脫機(jī)輸入輸出 增加不與主機(jī)相連而專門用于 輸入/輸出的外圍計算機(jī) SPOOLing（Simultaneous Peripheral Operations On-line 外圍設(shè)備同時聯(lián)機(jī)操作） 假脫機(jī)操作 SPOOLing系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 磁盤 輸入井輸入井 輸出井輸出井 內(nèi)存內(nèi)存輸入緩沖區(qū)輸入緩沖區(qū)SPOOLing輸出進(jìn)程輸出進(jìn)程輸出緩沖區(qū)輸出緩沖區(qū)輸 入 設(shè)輸 入 設(shè)備備輸 出 設(shè)輸 出 設(shè)備備SPOOLing輸入進(jìn)程輸入進(jìn)程CPU輸出數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)CPU取數(shù)據(jù)取數(shù)據(jù)（1）提高了I/O的速度（2）將獨占設(shè)備改造成了共享設(shè)備（3）實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能SPOOLing系統(tǒng)的特點系統(tǒng)的特點SPOOLing系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)的應(yīng)用 共享打印機(jī) 設(shè)備處理是通過設(shè)備處理程序來實現(xiàn)的，通常又稱為設(shè)備驅(qū)動程序。它是I/O進(jìn)程和設(shè)備控制器之間的通信程序，常以進(jìn)程的形式被CPU調(diào)度。4.6 設(shè)備處理過程設(shè)備處理過程 設(shè)備驅(qū)動程序的特點設(shè)備驅(qū)動程序的特點(1) 驅(qū)動程序主要是在請求I/O