操作系統(tǒng)-第5章 設(shè)備管理(S)

1、哈爾濱學(xué)院軟件學(xué)院 王知非計算機操作系統(tǒng)計算機操作系統(tǒng)第第5章章 設(shè)備管理設(shè)備管理第5章 設(shè)備管理5.1 I/O系統(tǒng)5.2 I/O控制方式5.3 緩沖管理5.4 I/O軟件5.5 設(shè)備分配5.6 磁盤存儲器的管理5.1 I/O系統(tǒng)n5.1.1 I/O設(shè)備n5.1.2 設(shè)備控制器n5.1.3 I/O通道n5.1.4 總線系統(tǒng)5.1 I/O系統(tǒng)5.1.1 I/O設(shè)備1、設(shè)備類型n按使用特性：存儲設(shè)備、I/O設(shè)備n按傳輸速率：低速、中速、高速n按信息交換的單位分類：塊設(shè)備、字符設(shè)備n按設(shè)備的共享屬性：獨占設(shè)備、共享設(shè)備、虛擬設(shè)備5.1 I/O系統(tǒng)5.1.1 I/O設(shè)備2、設(shè)備與控制器之間的接口緩沖轉(zhuǎn)

2、換器控制邏輯信號數(shù)據(jù)I/O設(shè)備至設(shè)備控制器數(shù)據(jù)信號線狀態(tài)信號線控制信號線5.1 I/O系統(tǒng)5.1.1 I/O設(shè)備2、設(shè)備與控制器之間的接口（1）信號數(shù)據(jù)線用于在設(shè)備和設(shè)備控制器之間傳送數(shù)據(jù)信號。（2）控制信號線由設(shè)備控制器向I/O設(shè)備發(fā)送控制信號時的通路（3）狀態(tài)信號線指示當(dāng)前設(shè)備狀態(tài)的信號5.1 I/O系統(tǒng)5.1.2 設(shè)備控制器n設(shè)備控制器用于控制一個或者多個設(shè)備，以實現(xiàn)I/O設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。n設(shè)備控制器是CPU和外設(shè)之間的接口，接收CPU的I/O命令，并控制外設(shè)工作。n設(shè)備控制器是一個可編址的設(shè)備。5.1 I/O系統(tǒng)5.1.2 設(shè)備控制器1、設(shè)備控制器的功能（1）接收和識別命令

3、（2）數(shù)據(jù)交換（3）標(biāo)識和報告設(shè)備狀態(tài)（4）地址識別（5）數(shù)據(jù)緩沖（6）差錯控制5.1 I/O系統(tǒng)5.1.2 設(shè)備控制器2、設(shè)備控制器的組成（1）設(shè)備控制器與處理機的接口n用于實現(xiàn)CPU與DCU之間的通信。（2）設(shè)備控制器與設(shè)備的接口n用于連接一個或者多個設(shè)備。（3）I/O邏輯n用于實現(xiàn)對設(shè)備的控制。5.1 I/O系統(tǒng)5.1.3 I/O通道1、I/O通道的引入nI/O通道是一種特殊的處理機，它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通道程序來控制I/O操作。n引入I/O通道的目的是使一些原來由CPU處理的I/O任務(wù)轉(zhuǎn)由通道來承擔(dān)，減少由于干預(yù)I/O操作而造成的CPU負擔(dān)。n特點：指令集單一；與CP

4、U共享內(nèi)存5.1 I/O系統(tǒng)5.1.3 I/O通道2、I/O通道的類型（1）字節(jié)多路通道n按字節(jié)交叉方式工作的通道n用于連接多個慢速外圍設(shè)備n為多個外設(shè)交叉工作5.1 I/O系統(tǒng)5.1.3 I/O通道2、I/O通道的類型（2）數(shù)組選擇通道n連接快速外設(shè)n以成組方式工作，一次傳送一組數(shù)據(jù)，速度快n每次啟動只能為一個設(shè)備服務(wù)，完成一次I/O操作后，才能選擇其它設(shè)備，通道利用率低。5.1 I/O系統(tǒng)5.1.3 I/O通道2、I/O通道的類型（3）數(shù)組多路通道n用于連接多臺高速外設(shè)n先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道命令，然后自動轉(zhuǎn)換為另一個設(shè)備執(zhí)行一條通道命令n任一時刻只為一臺設(shè)備傳送一組數(shù)據(jù)，但可以交叉地位

5、多個設(shè)備提供服務(wù)。5.1 I/O系統(tǒng)5.1.3 I/O通道3、I/O通道的“瓶頸”問題n由于通道價格昂貴，會造成由于通道數(shù)量不足而造成“瓶頸”現(xiàn)象。n解決的辦法：n增加設(shè)備到主機之間的通路5.1 I/O系統(tǒng)5.1.4 總線系統(tǒng)1、ISA和EISA總線（1）ISA總線（2）EISA總線2、局部總線（1）VESA總線（2）PCI總線第5章 設(shè)備管理5.2 I/O控制方式n5.2.1 程序I/O方式n5.2.2 中斷驅(qū)動I/O控制方式n5.2.3 直接存儲器訪問I/O控制方式n5.2.4 I/O通道控制方式5.2 I/O控制方式5.2.1 程序I/O方式n由用戶程序直接控制主存和外設(shè)間交換數(shù)據(jù)。n特

6、點:n（1）控制管理簡單，所需硬件支持少。n（2）CPU和外設(shè)只能串行n（3）傳送數(shù)據(jù)的單位是字節(jié)，速度慢n（4）CPU利用率低5.2 I/O控制方式5.2.2 中斷控制方式n工作過程：nCPU向DCU發(fā)出啟動外設(shè)的指令nDCU按要求啟動設(shè)備后，向CPU發(fā)出中斷請求，通知CPU外圍設(shè)備已經(jīng)啟動nCPU向DCU發(fā)出一條I/O指令，DCU按要求傳送數(shù)據(jù)，傳送完畢后，再向CPU發(fā)出中斷，通知CPU給出下一條I/O指令。5.2 I/O控制方式5.2.2 中斷控制方式n特點：（1）和程序直接I/O相比，提高了CPU利用率和吞吐量（2）數(shù)據(jù)傳輸速度仍受數(shù)據(jù)寄存器大小的限制（3）一次I/O操作，中斷次數(shù)多，

7、仍消耗CPU時間，CPU利用率提高有限5.2 I/O控制方式5.2.3 直接存儲器訪問（DMA）控制方式1、引入n基本思想：在外設(shè)和主存之間建立數(shù)據(jù)傳送的直接通路，避免使用數(shù)據(jù)寄存器為中轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)交換方式的弊端。n與前兩種方式相比，做了如下改進：n(1)數(shù)據(jù)傳送的基本單位是塊n(2)建立了主存和外存之間的直接數(shù)據(jù)通路n(3)設(shè)置DMA控制器，控制存儲器和外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送n(4)CPU僅在一個塊的開始和結(jié)束時才干預(yù)。5.2 I/O控制方式5.2.3 直接存儲器訪問（DMA）控制方式2、DMA控制器的組成n三個部分：主機與DMA控制器接口、DMA控制器與塊設(shè)備的接口、I/O邏輯n四個寄存器：n命令/

8、狀態(tài)寄存器CRn內(nèi)存地址寄存器MARn數(shù)據(jù)寄存器DRn數(shù)據(jù)計數(shù)器DC5.2 I/O控制方式5.2.3 直接存儲器訪問（DMA）控制方式3、工作過程nCPU發(fā)出一條I/O指令，送到DMA控制器，同時，把傳送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)和主存區(qū)起始地址送入DMA控制器的主存地址寄存器和數(shù)據(jù)寄存器。n啟動外設(shè)開始傳送數(shù)據(jù)，傳送數(shù)據(jù)過程中，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行其它任務(wù)（進程），數(shù)據(jù)傳送由DMA控制器控制，直到傳輸結(jié)束或出錯，向CPU發(fā)出中斷，nCPU響應(yīng)后繼續(xù)處理：如傳送下一塊、結(jié)束I/O操作或進行故障處理。5.2 I/O控制方式5.2.4 通道控制方式1、引入n進一步減少處理機對I/O操作的干預(yù)n實現(xiàn)CPU、通道和外圍設(shè)

9、備三者間的并行5.2 I/O控制方式5.2.4 通道控制方式2、通道程序n通道有自己的控制指令，稱為通道命令（channel control word, CCW）n每一條通道命令規(guī)定了外設(shè)的一種操作，由以下信息組成：n操作碼、內(nèi)存地址、計數(shù)器、通道程序結(jié)束位P、記錄結(jié)束標(biāo)志Rn若干條通道命令按一定的方式連接起來，就構(gòu)成了通道程序。5.2 I/O控制方式5.2.4 通道控制方式3、通道地址字n要啟動I/O設(shè)備工作，首先把I/O要求，用通道程序表示出來，然后由通道控制外設(shè)完成指定的操作。n編好的通道程序是放在主存中的，為了使通道能取到通道命令去執(zhí)行，需要把通道程序的內(nèi)存起始地址告訴通道。n用于存放

10、通道程序首地址的主存固定單元稱為通道地址字（channel address word_CAW），通道啟動后，從CAW中獲得通道程序的起始地址。第5章 設(shè)備管理5.3 緩沖管理n5.3.1 緩沖的引入n5.3.2 單緩沖和雙緩沖n5.3.3 循環(huán)緩沖n5.3.4 緩沖池5.3 緩沖管理5.3.1 緩沖的引入n（1）緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾n（2）減少對的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制。n（3）提高CPU和I/O設(shè)備之間的并行性。5.3 緩沖管理5.3.2 單緩沖和雙緩沖1、單緩沖n在塊設(shè)備輸入時，假定從磁盤把一塊數(shù)據(jù)輸入到緩沖區(qū)的時間為T，操作系統(tǒng)將該緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到用戶

11、區(qū)的時間為M，而CPU對數(shù)據(jù)的處理時間為C。n由于T和C可以并行，當(dāng)TC時，系統(tǒng)對每塊數(shù)據(jù)的處理時間為M+T，反之則為M+C，即Max（C,T）+ M5.3 緩沖管理5.3.2 單緩沖和雙緩沖2、雙緩沖n也稱為緩沖對換。先輸入第一緩沖區(qū)，充滿后再輸入第二緩沖區(qū)，同時，用戶進程處理第一緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)。n雙緩沖時，系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的時間可以粗略地認為是MAX（C,T)。如果CT，則可使CPU不必等待設(shè)備輸入。5.3 緩沖管理5.3.3 循環(huán)緩沖（多緩沖）1、循環(huán)緩沖的組成（1）多個緩沖區(qū)各個緩沖區(qū)大小相同，可分為3類：n用于裝輸入數(shù)據(jù)的空緩沖區(qū)Rn已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)Gn計算進程正在使用的現(xiàn)行工作緩

12、沖區(qū)C（2）多個指針n三個指針n指示計算進程下一個可用緩沖區(qū)G的nextgn指示下一個輸入進程可用的空緩沖區(qū)R的nextin指示計算進程正在使用的緩沖區(qū)C的current5.3 緩沖管理5.3.3 循環(huán)緩沖（多緩沖）2、循環(huán)緩沖區(qū)的使用（1）Getbuf過程n調(diào)用該過程以獲取緩沖區(qū)（2）Releasebuf過程n調(diào)用該過程以釋放緩沖區(qū)5.3 緩沖管理5.3.3 循環(huán)緩沖（多緩沖）3、進程同步（1）nexti指針追趕上nextgn即輸入進程速度快于計算進程n輸入進程應(yīng)阻塞（2）nextg追趕上nextin計算進程快于輸入進程n計算進程應(yīng)阻塞5.3 緩沖管理5.3.4 緩沖池（Buffer Poo

13、l）1、緩沖池的組成（1）三種類型的緩沖區(qū)n空閑緩沖區(qū)n裝滿輸入數(shù)據(jù)的Buffern裝滿輸出數(shù)據(jù)的Buffer5.3 緩沖管理5.3.4 緩沖池（Buffer Pool）1、緩沖池的組成（2）形成三個隊列n空緩沖隊列emqn輸入隊列inqn輸出隊列outq5.3 緩沖管理5.3.4 緩沖池（Buffer Pool）1、緩沖池的組成（3）四個工作緩沖區(qū)n收容輸入工作緩沖區(qū)n提取輸入工作緩沖區(qū)n收容輸出工作緩沖區(qū)n提取輸出工作緩沖區(qū)5.3 緩沖管理5.3.4 緩沖池（Buffer Pool）2、Getbuf過程和Putbuf過程（1）Addbuf（type, number）n用于將參數(shù)number

14、所指示的緩沖區(qū)，掛在type隊列上。（2）Takebuf（type）n從type指示的隊列的對首摘下一個緩沖區(qū)5.3 緩沖管理5.3.4 緩沖池（Buffer Pool）3、緩沖區(qū)的工作方式（1）收容輸入（2）提取輸入（3）收容輸出（4）提取輸出第5章 設(shè)備管理5.4 I/O軟件n5.4.1 I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)和原則n5.4.2 中斷處理程序n5.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序n5.4.4 設(shè)備獨立性軟件n5.4.5 用戶層的I/O軟件5.4 I/O軟件5.4.1 I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)和原則n設(shè)計目標(biāo)：（1）與具體設(shè)備無關(guān)（2）統(tǒng)一命名（3）對錯誤的處理（4）緩沖技術(shù)（5）設(shè)備的分配和釋放（6）I/O

15、控制方式5.4 I/O軟件5.4.1 I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)和原則I/O軟件的四個層次：（1）用戶層軟件（2）設(shè)備獨立性軟件（3）設(shè)備驅(qū)動程序（4）中斷處理程序5.4 I/O軟件5.4.2 中斷處理程序n中斷處理層的主要工作：進行進程上下文的切換，對處理中斷信號源進行測試，讀取設(shè)備狀態(tài)和修改進程狀態(tài)等。1、喚醒被阻塞的驅(qū)動（程序）進程2、保護被中斷進程的CPU環(huán)境3、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備處理程序4、中斷處理5、恢復(fù)被中斷進程的現(xiàn)場5.4 I/O軟件5.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序1、設(shè)備驅(qū)動程序的功能（1）接收由設(shè)備獨立性軟件發(fā)來的命令和參數(shù)，將命令中的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。（2）檢查用戶I/O請求的合法性

16、，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。（3）發(fā)出I/O命令。（4）及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序。（5）對于設(shè)置由通道的計算機系統(tǒng)，應(yīng)能根據(jù)用戶的輸入輸出請求，自動構(gòu)成通道程序。5.4 I/O軟件5.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序2、設(shè)備處理方式（1）為每一類設(shè)備設(shè)置一個進程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作（2）在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進程，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)備處理進程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序（模塊），共用戶進程或系統(tǒng)進程調(diào)用。5.4 I/O軟件5.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序3、設(shè)備驅(qū)

17、動程序的特點（1）驅(qū)動程序是在請求輸入輸出的進程與設(shè)備控制器之間的一個通信和轉(zhuǎn)換程序。（2）驅(qū)動程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)，因而不同類型設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序。（3）驅(qū)動程序與I/O設(shè)備的I/O控制方式緊密相關(guān)（4）由于驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，其中一部分必須用匯編語言編寫。（5）驅(qū)動程序應(yīng)允許可重入（6）驅(qū)動程序不允許系統(tǒng)調(diào)用5.4 I/O軟件5.4.3 設(shè)備驅(qū)動程序4、設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程（1）將抽象的要求轉(zhuǎn)換為具體的要求（2）檢查I/O請求的合法性（3）讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)（4）傳送必要的參數(shù)（5）設(shè)置工作方式（6）啟動I/O設(shè)備5.4 I/O軟件5.4.4 設(shè)備獨

18、立性軟件1、設(shè)備獨立性的概念n又稱為設(shè)備無關(guān)性：應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。n（1）設(shè)備分配時的靈活性n（2）易于實現(xiàn)I/O重定向5.4 I/O軟件5.4.4 設(shè)備獨立性軟件2、設(shè)備獨立性軟件n驅(qū)動程序與硬件緊密相關(guān)，為了實現(xiàn)設(shè)備無關(guān)，必須在驅(qū)動程序之上設(shè)置一層軟件，稱為設(shè)備獨立性軟件。n主要功能：n（1）執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作n（2）向用戶層（或文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口。5.4 I/O軟件5.4.4 設(shè)備獨立性軟件3、邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)（1）邏輯設(shè)備表n系統(tǒng)必須設(shè)置一張邏輯設(shè)備表n三個表項：邏輯設(shè)備名、物理設(shè)備名、設(shè)備驅(qū)動程序的入口地址。（2）LUT的設(shè)置問題n第一種方

19、式是整個系統(tǒng)設(shè)置一張LUTn第二種方式是每個用戶設(shè)置一張LUT5.4 I/O軟件5.4.5 用戶層的I/O軟件3、邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)n用戶程序必須通過一組系統(tǒng)調(diào)用來取得操作系統(tǒng)的服務(wù)。第5章 設(shè)備管理5.5 設(shè)備分配n5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n5.5.2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的問題n5.5.3 獨占設(shè)備的分配程序n5.5.4 SPOOLing軟件5.5 設(shè)備分配5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n1、設(shè)備控制表DCTn（1）設(shè)備隊列對首指針n（2）設(shè)備狀態(tài)n（3）與設(shè)備連接的控制器表指針n（4）重復(fù)執(zhí)行次數(shù)5.5 設(shè)備分配5.5.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)n2、控制器控制表、通道

20、控制表和系統(tǒng)設(shè)備表n（1）控制器控制表（COCT）n（2）通道控制表（CHCT）n（3）系統(tǒng)設(shè)備表（SDT）5.5 設(shè)備分配5.5.2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素1、設(shè)備的固有屬性（1）獨占設(shè)備：應(yīng)采用獨享分配策略，即將一個設(shè)備分配給某進程后，便由該進程獨占直至該進程自己釋放。（2）共享設(shè)備：可同時分配多個進程（3）可虛擬設(shè)備：采用虛擬技術(shù)，編程可共享設(shè)備。5.5 設(shè)備分配5.5.2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素2、設(shè)備分配算法（1）先來先服務(wù)n請求同一設(shè)備的多個進程，形成一個設(shè)備請求隊列（2）優(yōu)先權(quán)高者優(yōu)先n優(yōu)先權(quán)相同者，仍采用先來先服務(wù)5.5 設(shè)備分配5.5.2 設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素3、設(shè)備分配中

21、的安全性（1）安全分配方式n即采用一次性分配策略，打破“占有且等待”條件，避免死鎖。（2）不安全分配方式n避免死鎖5.5 設(shè)備分配5.5.3 獨占設(shè)備的分配程序1、基本的設(shè)備分配程序（1）分配設(shè)備n根據(jù)I/O請求中的物理設(shè)備名，查找SDT，找出設(shè)備的DCT（2）分配控制器：根據(jù)DCT找到COCT（3）分配通道：根據(jù)COCT 找到CHCT5.5 設(shè)備分配5.5.3 獨占設(shè)備的分配程序2、設(shè)備分配程序的改進n基本的設(shè)備分配過程中的問題：進程以物理設(shè)備名提出I/O請求；采用的是單通路I/O結(jié)構(gòu)。n改進辦法：n（1）增加設(shè)備獨立性n（2）考慮多通路情況5.5 設(shè)備分配5.5.4 SPOOLing技術(shù)1、什么是SPOOLingn假脫機輸入輸出n在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLi