7、第八章設備與IO管理ppt課件

1、第八章第八章 設備與設備與I/O管理管理n 設備管理是指操作系統(tǒng)對除了CPU和內存以外的一切輸入/輸出設備的管理，諸如設備控制器、通道、中斷控制器等等，因此為了提高計算機系統(tǒng)的整體效率，除了需求對中央處置器CPU合理調度、對內存合理運用之外，對系統(tǒng)中的設備也要實施行之有效的管理，這樣才干真正發(fā)揚計算機系統(tǒng)的整體效率。8.1 設備的分類設備的分類n 按設備性質分類：存儲設備、輸入輸出設備；n 按設備所屬關系分類：系統(tǒng)設備、用戶設備；n 按設備共享屬性分類：獨享設備、共享設備、虛擬設備；n 按信息交換單位分類：塊設備、字符設備。設備管理的主要義務設備管理的主要義務n 強調設備獨立性；n 選擇和控制

2、設備與內存、中央處置器進展交換傳輸數據；n 按照一定的算法把設備分配給對該設備提出懇求的進程，保證系統(tǒng)正常任務；n 充分有效地運用設備，盡能夠提高設備的并行操作程度，使操作系統(tǒng)獲得最正確的效率。設備管理的根本功能設備管理的根本功能1、設備分配2、設備控制3、緩沖管理8.3 I/O傳輸方式傳輸方式n 程序控制查詢方式n 由CPU擔任在機器內存與設備控制器、數據存放器之間進展數據傳送。n 中斷驅動方式n 為了減少設備驅動程序不斷地訊問控制器形狀、存放器的開銷。當I/O操作終了后，由設備控制器自動通知設備驅動程序。n DMA方式n 通道方式8.3.1 程序控制查詢方式程序控制查詢方式優(yōu)點：任務過程簡

3、單，不需求更多的硬件支持。缺陷：1、CPU和外設只能串行任務；2、CPU在同一時間內只能和一臺外設交換數據，不能實現設備之間的并行任務；3、程序控制查詢方式只適宜于那些CPU執(zhí)行速度較慢，而且外設較少的系統(tǒng)。8.3.2 中斷驅動方式中斷驅動方式n 為了減少CPU測試等待時間和CPU與外設的并行任務才干，引入了中斷驅動方式。n 1、需求數據的進程經過CPU發(fā)出START指令啟動外設輸入數據的指令。該指令同時置形狀存放器的中斷允許位；n 2、在進程發(fā)出指令啟動設備之后，該進程放棄CPU，等待輸入完成。這時，進程調度程序可以調度其他就緒進程占據CPU；8.3.2 中斷驅動方式中斷驅動方式3、當輸入任

4、務完成時，I/O控制器經過中斷懇求線向CPU發(fā)出中斷信號。CPU在接納到中斷信號之后，轉去執(zhí)行設備中斷處置程序。設備中斷處置程序輸入數據存放器中的數據傳送到相應的位置上去。同時把等待輸入完成的進程喚醒，再前往到被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行；4、在以后的某個時辰，進程調度程序選中提出懇求輸入的進程，該進程從指定的內存單元中取出數據做進一步處置。優(yōu)缺陷優(yōu)缺陷優(yōu)點：與程序控制查詢方式相比，中斷驅動方式使CPU的利用率大幅度提高了。缺陷：1、I/O控制存放器的數據存放器小，對大量數據傳輸中斷次數較多，耗去CPU大量時間；2、不適宜于高速I/O設備。也就是說外設將數據送入數據存放器發(fā)出中斷懇求后，CPU有足夠的

5、時間將數據取走，否那么能夠呵斥CPU來不及取走數據而呵斥數據的喪失。8.3.3 DMA方式方式nDMA方式，又稱存儲器直接存取方式。內存和外設之間開辟直接的數據交換通路，由DMA控制器完成數據交換。nDMA方式在傳送開場需求CPU做一些初始化和傳輸終了做一些善后處置任務之外，在整個數據傳輸過程中，不需求CPU任何干涉。n1、當進程要求設備輸入數據時，CPU將預備存放輸入數據的內存始址以及要傳送的字節(jié)數分別送入DMA控制器中的內存地址存放器和傳送字節(jié)計數器，預備開場進展數據輸入并允許中斷；8.3.3 DMA方式方式2、發(fā)出數據要求的進程進入等待形狀，進程調度程序調度其他進程占據CPU；3、輸入設

6、備不斷地挪用CPU任務周期，將數據存放器中的數據源源不斷地寫入內存，直到所要求的字節(jié)全部傳送終了；4、DMA控制器在完成數據傳送后，經過中斷懇求線發(fā)出中斷信號，CPU收到中斷信號后轉到中斷處置程序，喚醒等待輸入完成的進程，并前往被中斷程序；5、中斷處置程序終了后，CPU前往被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行或運轉重新被調度的進程。DMA方式與中斷驅動方式的區(qū)別方式與中斷驅動方式的區(qū)別1、前者在全部數據傳送終了時才中斷CPU；后者每傳送一個數據中斷一次CPU。2、中斷驅動方式的數據傳送在中斷處置時由CPU控制完成；而DMA方式那么是在DMA控制器的控制下完成。8.3.4 通道方式通道方式n 通道又稱I/O處置

7、機。它也是完成內存與外設之間的直接的數據交換。采用通道技術后，不僅能實現CPU與通道之間的并行操作，而且通道與通道之間、各通道上銜接的外設之間都能實現并行操作。n 它與DMA方式類似，但不同于DMA的是：通道有本人的通道指令，并設有通道控制器和本人的指令執(zhí)行機構。只需CPU發(fā)出通道啟動指令，指出通道相應的操作和I/O設備，該指令就可啟動通道并使通道從內存調出相應的通道指令執(zhí)行。通道分類按信息交換方式通道分類按信息交換方式1字節(jié)多路通道。字節(jié)多路通道可銜接多個慢速外圍設備，如打印機。它以字節(jié)為單位交叉地與外設進展數據交換。但一臺設備傳送一個字節(jié)后，立刻轉去為另一臺設備傳送一個字節(jié)。2數組選擇通道

8、。它銜接磁帶、磁盤等快速設備，以塊為單位與外設進展數據交換。但在同一時間內，它只能為一臺設備效力，直到I/O懇求完成，再選擇與通道相連的另一臺設備。3數組多路通道。它是字節(jié)和選擇通道技術的綜合，通道所銜接的幾個設備可并行任務。先選擇一臺傳送一批數據，再選擇另一臺，即幾臺設備的通道程序都在執(zhí)行中。它相當于多道程序設計技術在通道中的運用。通道方式的數據輸入過程通道方式的數據輸入過程1、當進程要求輸入數據時，CPU發(fā)出啟動指令，指明I/O操作、設備號和對應通道。2、對應通道接納到CPU發(fā)來的啟動指令之后，把存放在內存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序。3、假設數據傳送終了，就向CPU發(fā)出中斷懇求。

9、CPU收到中斷信號后轉中斷處置程序，喚醒等待輸入完成的進程，并前往被中斷程序。4、在以后的某個時辰，進程調度程序選中提出懇求輸入的進程，該進程從指定的內存始址取出數據，做進一步處置。8.7 緩沖技術緩沖技術n 緩沖的引入：n 中斷技術和通道技術的引入，提供了CPU、通道和I/O設備之間的并行操作的能夠性，但由于計算機外設的開展會產生通道缺乏而產生的“瓶頸景象，使并行程度遭到限制，因此引入了緩沖技術。n 目的：n 1、改善CPU和I/O設備之間速度不匹配的情況；n 2、可以減少I/O設備對CPU的中斷次數及放寬對CPU的中斷呼應時間要求。緩沖的實現方法緩沖的實現方法n 硬緩沖：采用硬件緩沖器實現

10、，在設備中設置緩沖區(qū)。例如I/O控制器中的數據緩沖存放器。n 軟緩沖：內存中開辟一個空間，專門用降暫時存放輸入/輸出數據，這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)。n 優(yōu)點：易于改動緩沖區(qū)的大小和數量靈敏；n 缺陷：占據內存空間。緩沖的種類緩沖的種類1、單緩沖當用戶進程發(fā)出I/O懇求時，操作系統(tǒng)在主存的系統(tǒng)空間為該操作分配一個緩沖區(qū)，可以實現預讀和滯后寫。2、雙緩沖可以實現用戶數據區(qū)與緩沖區(qū)之間交換數據和緩沖區(qū)與外設之間交換數據的并行。3、多緩沖：又稱循環(huán)緩沖多個緩沖區(qū)銜接起來一致管理。緩沖的種類緩沖的種類4、緩沖池把系統(tǒng)內的緩沖區(qū)一致管理起來，變公用為通用。緩沖池的構造由假設干個大小一樣的緩沖區(qū)組成。當某進程需求

11、運用緩沖區(qū)時，提出懇求，由管理程序分配給它，用完后釋放緩沖區(qū)。這樣可用少量的緩沖區(qū)為更多的進程效力。8.6 設備調度設備調度n 讀寫一個磁盤塊的時間由三個要素決議：n 1、尋道時間：將磁臂挪動到相應的柱面上所需的時間。n 2、旋轉延遲：等待相應扇區(qū)旋轉到磁頭下所需的時間。n 3、實踐傳輸時間。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化n 查找優(yōu)化就是減少平均尋道時間的算法。n 1、先到先效力算法FCFSn 思索一個具有40個柱面的磁盤。假設一個讀柱面11上一個數據塊的懇求到達。當對柱面11尋道時，又順序到達了新的懇求，要求尋道1，36，16，34，9和12，系統(tǒng)這些懇求進程插入等待隊列。當前懇求柱面11效力終了

12、后，磁盤驅動程序要選擇下一個懇求進展處置。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化假設采用FCFS算法，系統(tǒng)首先選擇柱面1，然后是柱面36，以此類推。這個算法要求磁臂分別挪動10，35，20，18，25和3個柱面，總共需求挪動111個柱面。2、最短查找時間優(yōu)先算法SSTF對于上例懇求序列，假設采用SSTF算法，系統(tǒng)會依次訪問12，9，16，1，34，36柱面。磁臂分別要挪動1，3，7，15，33和2個柱面，總共需求挪動61個柱面。SSTF算法和FCFS算法相比，將磁臂挪動間隔幾乎減小了一半。一、查找優(yōu)化一、查找優(yōu)化3、掃描/電梯算法Scan/Look具有方向性的SSTF。對于上例懇求序列，假設采用電梯算法，系統(tǒng)會依次訪問12，16，34，36，9，1柱面。改良的電梯算法：單向掃描轉向時能看到的訪問循環(huán)掃描二、旋轉優(yōu)化二、旋轉優(yōu)化n 為減少旋轉延遲，對同一磁道上的延續(xù)讀寫信息進展合理分布稱為旋轉優(yōu)化。n 思索10個數據塊A，B，J存放在同一個磁道上，設每個磁道有10個扇區(qū)。假設按A，B，J順序從0扇區(qū)開場依次存放，并且順序處置這些數據。n 當磁盤旋轉速度為20ms，處置程序讀出每個記錄后花4ms時間處置。那么讀出并處置數據塊A后，將轉到數據塊D的開場。所以為了讀出記錄B，必需再轉一周。二、旋轉優(yōu)化二、旋轉優(yōu)化處置1