操作系統(tǒng)設(shè)備管理優(yōu)秀課件

1、第五章 操作系統(tǒng)設(shè)備管理訾小超1本章主要內(nèi)容：概述設(shè)備管理的目標(biāo)設(shè)備的類型設(shè)備和OS的通信方式設(shè)備管理和分配設(shè)備維護設(shè)備分配設(shè)備管理的向上接口磁盤調(diào)度Linux的設(shè)備管理21、概述1-1、為何要引入設(shè)備管理設(shè)備千差萬別，即使同類設(shè)備也會存在實現(xiàn)細(xì)節(jié)和接口方面的區(qū)別。如果讓使用者（應(yīng)用程序）直接操縱設(shè)備。會加重應(yīng)用程序設(shè)計者的負(fù)擔(dān)。應(yīng)用程序依賴于具體的設(shè)備，應(yīng)用程序的移植性比較差。設(shè)備利用率低。根源：無法實現(xiàn)設(shè)備共享對一些低速設(shè)備，難以協(xié)調(diào)處理器和外設(shè)的速率不匹配問題31-2、操作系統(tǒng)設(shè)備管理的要求和目標(biāo)為用戶提供方便、統(tǒng)一的設(shè)備使用界面。提高外部設(shè)備利用率，盡量提高并行程度實現(xiàn)程序與設(shè)備的無關(guān)

2、性。要解決快速的處理器與慢速的I/O設(shè)備之間的操作匹配的問題：緩沖區(qū)、預(yù)讀、緩寫等手段。設(shè)備管理要實現(xiàn)這些緩沖區(qū)的建立、分配、釋放與回收。41-3、設(shè)備管理和使用的軟件層次關(guān)系底層通信（中斷處理）：實現(xiàn)軟件和硬件設(shè)備的通信。設(shè)備驅(qū)動：接受來自上層的抽象操作請求，并負(fù)責(zé)操作的具體實施。主要組成：與設(shè)備打交道的軟件部分。共享支持、緩沖區(qū)支持等。對用戶層的形式上統(tǒng)一的I/O接口：每個I/O調(diào)用接口對應(yīng)具體的設(shè)備抽象操作。使用設(shè)備的用戶級程序：通過調(diào)用所提供的接口來實現(xiàn)對設(shè)備的使用或控制。51-4、設(shè)備的類型設(shè)備種類比較多，每種的特征差別很大。分類方式不一，可以從多個角度進行分類。設(shè)備外在功能（使用者

3、的角度）：輸入設(shè)備輸出設(shè)備存儲設(shè)備設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸方式上（設(shè)備研制者）：塊設(shè)備字符設(shè)備流設(shè)備6設(shè)備的存在形式上（OS角度）：物理設(shè)備邏輯設(shè)備設(shè)備的使用形式（使用和OS管理角度）：共享設(shè)備獨占設(shè)備72、設(shè)備和OS間的通信控制方式2-1、通信的硬件原理：I/O設(shè)備組成：機械部件（實施部件）：具體實現(xiàn)設(shè)備的操作。電子部件（接口部件）：又叫設(shè)備控制器，直接外接用于控制和數(shù)據(jù)通信的電纜線。操作系統(tǒng)與控制器直接打交道，發(fā)送操作命令，或收發(fā)數(shù)據(jù)?？刂破鹘邮誒S發(fā)來的操作指令，控制機械部件完成相應(yīng)操作。8設(shè)備控制器的接口特征簡單的通信接口只要通過一根信號線的高低電平就能通信。對復(fù)雜的設(shè)備，可能很多字節(jié)的內(nèi)容需要

4、訪問（設(shè)置或查詢），總的來講分為兩類：控制類：一般稱為控制寄存器。OS通過設(shè)置控制寄存器，向設(shè)備發(fā)出操作指令?；蛲ㄟ^查詢控制寄存器來獲知設(shè)備的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)類：一般稱為數(shù)據(jù)寄存器。OS通過設(shè)置數(shù)據(jù)寄存器傳出控制參數(shù)，或進行數(shù)據(jù)I/O。數(shù)據(jù)寄存器可能包含多個。9為每位或每個控制寄存器提供一根或一組信號線（太多的信號線）直接相連是不現(xiàn)實的。為兼容CPU的體系結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)地址的概念。把所有寄存器統(tǒng)一進行編址，一般而言這種編址是連續(xù)的（假定0-50字節(jié)）。訪問時：將設(shè)備的控制器與系統(tǒng)總線相連先發(fā)地址信號，然后訪問對應(yīng)的寄存器。10設(shè)備的I/O地址設(shè)備內(nèi)部的I/O編址：局限于單個設(shè)備整個系統(tǒng)I/O編址：需

5、要把單個設(shè)備的I/O編址映射到系統(tǒng)全局編址。一般利用偏移映射即可與內(nèi)存統(tǒng)一編址：同一般的內(nèi)存訪問操作。與內(nèi)存分開編址：需要使用專門的I/O指令訪問設(shè)備控制器的寄存器在設(shè)備接入之后，需要分配合適的I/O地址。設(shè)備內(nèi)部的I/O地址要映射到所分配的I/O地址上。112-2、通信控制方式的類型詢問（輪詢）方式：詢問方式又稱程序直接控制方式。OS發(fā)出操作指令（設(shè)置控制寄存器）后，設(shè)備控制器收到指令控制設(shè)備機械部件開始工作，工作完成之后設(shè)置設(shè)備控制寄存器的相應(yīng)狀態(tài)位。OS檢查設(shè)備控制寄存器的狀態(tài)位，才能確定硬件操作是否完成。為了確定操作是否完成，需要不斷進行詢問。12中斷方式：中斷控制器引入后，外圍設(shè)備有

6、了反映其狀態(tài)的硬件基礎(chǔ)。在操作完成之后，設(shè)備控制器在設(shè)置設(shè)備控制寄存器的相應(yīng)狀態(tài)位的同時，還要中斷控制器發(fā)送信號。中斷控制器向CPU發(fā)送中斷信號CPU收到中斷信號后，調(diào)用相應(yīng)的處理程序：檢查設(shè)備控制寄存器的狀態(tài)位，進行相應(yīng)處理。 中斷方式消除了程序查詢方式的忙式測試，提高了CPU資源的利用率 。13中斷控制器支持的中斷數(shù)量有限，每個進行了編號。設(shè)備接入系統(tǒng)后，需要分配中斷號。一般情況下，多個設(shè)備不能共享同一中斷號。中斷是重要的資源，設(shè)備在接入到系統(tǒng)中，需要分配合適的中斷編號。沒有合適的中斷編號設(shè)備就不能正常工作。14DMA方式：主存和I/O設(shè)備之間設(shè)計自動化的數(shù)據(jù)通路，在主存和I/O設(shè)備之間成

7、塊傳送數(shù)據(jù)過程中，不需要CPU干預(yù)。 I/O設(shè)備能直接與主存交換數(shù)據(jù)而不占用CPU，CPU資源的利用率再次得到提高 。DMA不僅設(shè)有中斷機構(gòu)，而且，還增加了DMA傳輸控制機構(gòu)。若出現(xiàn)DMA與CPU同時經(jīng)總線訪問主存，CPU把總線占有權(quán)周期性讓給DMA。DMA方式線路簡單，價格低廉，但功能較差（只能實現(xiàn)單塊數(shù)據(jù)傳輸），不能滿足復(fù)雜的IO要求。 系統(tǒng)中支持DMA的設(shè)備數(shù)量是有限的，一般為四個。設(shè)備接入系統(tǒng)后，需要向DMA控制器申請。15I/O通道技術(shù)：工作方式：I/O通道是一種硬件設(shè)施，帶有專用處理器的，是有很強I/O處理功能的智能部件。可以獨立地完成系統(tǒng)處理器交付的I/O操作任務(wù)，通道具有自己專

8、門的指令集，即通道指令。通道執(zhí)行來自處理器的通道程序，完成后向系統(tǒng)處理器發(fā)出中斷，請求結(jié)束。特征：I/O通道能夠一次實現(xiàn)多個離散的數(shù)據(jù)塊的傳輸。I/O通道又叫輸入/輸出處理器。通道屬于高端系統(tǒng)配置，一般只在大型機系統(tǒng)中存在。16分類：字節(jié)多路通道主要用于連接大量低、中速的I/O設(shè)備，每次傳輸一個字節(jié)：以字節(jié)為單位交叉地工作，當(dāng)為一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺設(shè)備傳送一個字節(jié)。選擇通道主要用于支持高速設(shè)備（如磁盤），每次只對與一個設(shè)備進行數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸是以塊為單位，每次可以傳輸一批數(shù)據(jù)。每當(dāng)一個輸入輸出操作請求完成后，再選擇與通道相連接的另一設(shè)備。成組多路通道以分時方式同時執(zhí)行幾道

9、通道程序，方別實現(xiàn)幾個高速設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)組多路通道的實質(zhì)是：對通道程序采用多道程序設(shè)計技術(shù)的硬件實現(xiàn)。 172-3、中斷處理中斷的基本類型：一般PC機支持15個中斷，具體類型主要有：時鐘中斷：I/O中斷：磁盤、鍵盤等系統(tǒng)請求中斷：用于實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)用等的特殊功能報警中斷：程序錯誤中斷：除零等機器錯誤中斷：硬件設(shè)備故障或異常。18中斷響應(yīng)和實現(xiàn)的大致流程：設(shè)備向中斷控制器發(fā)送中斷信號中斷控制器比較各個中斷的優(yōu)先級，如果有沒有被屏蔽的中斷。中斷控制器向CPU發(fā)送中斷信號。CPU現(xiàn)場保存后，通過詢問中斷控制器，確定中斷源（中斷號）。通過中斷號，找到對應(yīng)的中斷處理程序。中斷處理結(jié)束后，原運行在核心態(tài)：

10、恢復(fù)現(xiàn)場，轉(zhuǎn)向被中斷的任務(wù)繼續(xù)執(zhí)行。原運行在用戶態(tài)：檢查調(diào)度標(biāo)志、信號設(shè)置標(biāo)志。如果被設(shè)置，進行相應(yīng)處理。否則恢復(fù)現(xiàn)場，繼續(xù)執(zhí)行。192-4、時鐘中斷和處理時鐘的概念和用途系統(tǒng)時鐘：相當(dāng)于一個鐘表，是進行與時間相關(guān)的活動的依據(jù)，如在時間片調(diào)度方式下，如何判斷時間片是否用完，如何判斷鬧鐘到期等。鬧鐘：每個程序都可以設(shè)置鬧鐘，通過倒計時的方式實現(xiàn)。倒計時時間為0，系統(tǒng)會自動調(diào)用所設(shè)置的鬧鐘函數(shù)。20系統(tǒng)時鐘的維護：在計算機沒有啟動時。主板上包含了一個類似石英鐘的物理時鐘在記錄時間的流逝和變化。系統(tǒng)啟動時，OS從物理時鐘讀取當(dāng)前時間，保存在全局變量里。時間度量單位為tick。每過一個tick（一般是

11、20毫秒），時鐘芯片都會向CPU發(fā)送一個時鐘中斷。中斷處理程序：時鐘全局變量加1。檢查是否有與時間相關(guān)的任務(wù)。21中斷處理的技巧（時鐘中斷為例）：緊急任務(wù)：時鐘變量加1非緊急任務(wù)：當(dāng)前進程運行時間統(tǒng)計量增加。檢查當(dāng)前時間片是否用完。計算所有進程的動態(tài)優(yōu)先級。鬧鐘是否到期，處理函數(shù)。睡眠時間是否到了，需要喚醒相應(yīng)進程。22技巧：只把緊急任務(wù)放在時鐘中斷處理程序中。把非緊急任務(wù)在中斷處理程序外，延遲處理。具體延遲處理時間在：核心態(tài)回到用戶態(tài)時。Linux采用就是這種方式，延遲的處理叫底半部處理。233、設(shè)備管理和分配3-1、緩沖區(qū)和緩沖區(qū)管理：緩存區(qū)存在的背景：提高CPU和外設(shè)的并行度緩解外設(shè)速度

12、慢的瓶頸緩沖區(qū)分類：硬件緩沖：有些設(shè)備中會包含專門的硬件寄存器等用于緩沖。軟件緩沖：直接在主存中。24軟件緩沖的分類：單緩沖：一個緩沖，外設(shè)和CPU互斥進行操作。雙緩沖：設(shè)置兩個緩沖區(qū)，交替使用。 循環(huán)緩沖：類似于循環(huán)隊列，依次使用。緩沖池：系統(tǒng)維護一組大小相同的緩沖區(qū)，進程和設(shè)備按需要申請，使用完后重新歸入緩沖池中。253-2 設(shè)備分配功能和目標(biāo)為進程或作業(yè)分配所需的設(shè)備。充分發(fā)揮設(shè)備的使用效率，盡可能避免死鎖。分配方式：靜態(tài)分配:作業(yè)開始運行時，一次性分配給所有可能使用到的設(shè)備。缺點：設(shè)備利用率低優(yōu)點：簡單，不會出現(xiàn)死鎖。動態(tài)分配：進程使用設(shè)備時再進行相應(yīng)分配設(shè)備利用高，可能會出現(xiàn)死鎖。2

13、63-3、設(shè)備分配的原則設(shè)備請求管理要使用設(shè)備時必須提供進行I/O操作的有關(guān)信息，指出執(zhí)行I/O的邏輯設(shè)備名（如設(shè)備號）、操作類型、傳送數(shù)據(jù)的數(shù)目、信息源或目的地址等。存放進行I/O操作的信息的結(jié)構(gòu)稱為I/O請求塊。如在UNIX系統(tǒng)中，系統(tǒng)的I/O請求塊的內(nèi)容是包含在緩沖區(qū)控制塊buf中。在請求I/O時，首先請求分配緩沖區(qū)，然后把與操作有關(guān)的信息寫到buf中，并把這個buf掛到請求設(shè)備的I/O請求隊列中去。27b_actfb_actlav_forw av_forw av_forw iobuf buf buf swbuf 圖5-13 設(shè)備I/O請求隊列 28先請求先服務(wù)系統(tǒng)按先后次序組成I/O請

14、求隊列，每個設(shè)備一個隊列。當(dāng)新的I/O請求塊生成后，把該塊掛在相應(yīng)設(shè)備的I/O請求隊列的隊尾。設(shè)備空閑時，從該設(shè)備的I/O請求隊列的隊首取出一個請求塊，并按這個請求塊的要求進行I/O操作。29進程優(yōu)先級高的優(yōu)先服務(wù)系統(tǒng)按請求進程的優(yōu)先級由高到低次序組成I/O請求隊列，每個設(shè)備一個隊列。當(dāng)新的I/O請求塊生成后，根據(jù)請求優(yōu)先級把該塊掛在相應(yīng)設(shè)備的I/O請求隊列中的合適位置。設(shè)備空閑時，從該設(shè)備的I/O請求隊列的隊首取出一個請求塊，并按這個請求塊的要求進行I/O操作。303-4、設(shè)備分配技術(shù)獨占設(shè)備：同時只能分配給一個請求進程。共享設(shè)備：同時可以一個設(shè)備分配給多個請求進程。虛擬設(shè)備：用一個物理設(shè)備

15、來同時模擬多個獨占設(shè)備，達(dá)到設(shè)備共享的目的，提高設(shè)備利用率。313-5、SPOOLING技術(shù)背景和目標(biāo)：SPOOLing系統(tǒng)可以進行作業(yè)的批處理。整個系統(tǒng)由三部分組成：第一部分輸入作業(yè)和數(shù)據(jù)到輸入井（磁盤）中，稱為假脫機輸入第二部分是從磁盤輸入井中提取作業(yè)交CPU執(zhí)行，稱為作業(yè)管理部分第三部分是從磁盤輸出井（磁盤）中選擇一個作業(yè)的輸出將其送往打印機輸出，稱為假脫機輸出。三部分的工作在一定條件可以互相重疊執(zhí)行323-6、設(shè)備獨立性背景：同類設(shè)備有多臺，如果作業(yè)申請設(shè)備時指定某一臺具體的物理設(shè)備，當(dāng)指定的某臺設(shè)備有故障時該作業(yè)也就不能投入運行。如果還有好的同類設(shè)備可以替代，這種設(shè)計顯然不合理。解決

16、思路：為了解決這一問題，通常用戶不指定特定的設(shè)備，而指定邏輯設(shè)備，使得用戶作業(yè)和物理設(shè)備獨立開來，再通過其它途徑建立邏輯設(shè)備和物理設(shè)備之間的對應(yīng)關(guān)系，我們稱這種特性為“設(shè)備獨立性”。具有設(shè)備獨立性的系統(tǒng)中，用戶編寫程序時使用的設(shè)備與實際使用的設(shè)備無關(guān)，亦即邏輯設(shè)備名。設(shè)備管理的功能之一就是把邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換成物理設(shè)備名。33設(shè)備獨立性的好處：用戶與物理的外圍設(shè)備無關(guān)，系統(tǒng)增減或變更外圍設(shè)備時程序不必修改；易于對付輸入輸出設(shè)備的故障，例如，某臺行式打印機發(fā)生故障時，可用另一臺替換，甚至可用磁帶機或磁盤機等不同類型的設(shè)備代替。提高了系統(tǒng)的可靠性，增加了外圍設(shè)備分配的靈活性，能更有效地利用外圍設(shè)備資源

17、，實現(xiàn)多道程序設(shè)計技術(shù)。344、設(shè)備管理的上層統(tǒng)一接口4-1、背景I/O設(shè)備數(shù)量很多，特性差別很大，應(yīng)用程序難以直接操作設(shè)備操作系統(tǒng)的設(shè)備管理需要隱藏設(shè)備的操作細(xì)節(jié)。需要解決兩個問題：如何用統(tǒng)一的方式來標(biāo)示設(shè)備。如何用同統(tǒng)一的方法來表示設(shè)備的不同操作354-2、設(shè)備的命名在Linux/unix下，設(shè)備是以文件名的形式來表示的。如/dev/tty0，這些文件叫設(shè)備文件。設(shè)備文件的名字供應(yīng)用程序使用，把設(shè)備文件和對應(yīng)的設(shè)備（或設(shè)備驅(qū)動程序）聯(lián)系起來的是設(shè)備文件的兩個屬性：主設(shè)備號：通過主設(shè)備號就可以找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序 。同種類型的設(shè)備如果驅(qū)動相同，主設(shè)備號可以相同。次設(shè)備號：它作為傳給驅(qū)動程序

18、的參數(shù)指定具體的物理設(shè)備 。364-3、設(shè)備操作的統(tǒng)一接口實現(xiàn)思路操作系統(tǒng)對上提供若干高級I/O系統(tǒng)調(diào)用：getc, putc, read , write ,seek, open, close等。這些調(diào)用接口同普通文件的調(diào)用接口。這些I/O系統(tǒng)調(diào)用對應(yīng)抽象的I/O操作，包含對I/O設(shè)備的控制：請求、相應(yīng)、處理控制、緩沖等。對這些抽象I/O操作請求，不同的設(shè)備具有不同的理解，對應(yīng)不同的設(shè)備動作?？傊和ㄟ^抽象的I/O操作把應(yīng)用程序與復(fù)雜的I/O設(shè)備控制隔離開來。關(guān)鍵技術(shù)：如何把抽象I/O操作和具體的操作實現(xiàn)（設(shè)備控制）聯(lián)系起來。374-4、設(shè)備控制表設(shè)備控制表DCT包含多個表項，每個設(shè)備對應(yīng)一個

19、表項。每個表項對應(yīng)一個設(shè)備，內(nèi)容包括：設(shè)備描述符設(shè)備地址設(shè)備屬性設(shè)備狀態(tài)384-5、設(shè)備開關(guān)表設(shè)備開關(guān)表實現(xiàn)抽象操作到設(shè)備具體操作的映射。標(biāo)準(zhǔn)的文件操作接口-針對特定設(shè)備的具體實現(xiàn)函數(shù)395、磁盤調(diào)度5-1、磁盤的物理特性硬件組成：磁盤驅(qū)動器：是機械部分，包括：驅(qū)動電機，讀寫磁頭，及相應(yīng)的控制電路。磁盤控制器：實現(xiàn)與計算機的邏輯接口接受來自CPU（或通道）指令，命令磁盤驅(qū)動器完成具體操作一個磁盤控制器可以控制多個磁盤驅(qū)動器進行操作。單個磁盤的存儲組織以塊為單位進行存儲組織，塊大小一般為512字節(jié)，一塊被稱為一個扇區(qū)。塊是多維編址的：驅(qū)動器號、磁面號、磁道號、扇區(qū)號，四個參數(shù)才能唯一確定一個扇區(qū)

20、。40磁盤操作請求和響應(yīng)磁盤操作請求包含參數(shù)：操作類型（輸入或輸出）、（首）扇區(qū)地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)內(nèi)存地址。如果磁盤驅(qū)動器空閑，請求可以立即得到服務(wù)。否則排隊等候。一個請求完成后，檢查是否有排隊等候的請求，若有，開始為請求進行服務(wù)。磁盤操作的時間消耗尋道時間：把讀寫頭移動到相應(yīng)磁道上的時間；等待時間：等待指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到讀寫頭下面的時間；數(shù)據(jù)傳送時間：磁盤和內(nèi)存之間發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。磁盤調(diào)度的目標(biāo)提高有效的數(shù)據(jù)吞吐率。減少請求的平均等待時間。415-2、先來先服務(wù)調(diào)度算法算法思想：按請求的時間順序，依次進行服務(wù)優(yōu)點：實現(xiàn)簡單對每個請求看似“公平”缺點：尋道時間長，磁頭移動幅度大。例如：當(dāng)前位

21、置53，服務(wù)請求隊列98-183-37-122-14-124-65-67。總共需要移動640個磁道。425-3、最短尋道時間優(yōu)先調(diào)度算法思想：尋道時間一般與磁頭當(dāng)前位置（所在磁道）和目標(biāo)磁道間的差值成正比。優(yōu)先響應(yīng)尋道時間最短的請求。該請求對應(yīng)的磁道與其它請求對應(yīng)的磁道相比，離當(dāng)前磁頭最近。優(yōu)點：尋道時間較短，服務(wù)效率較高，服務(wù)平均等待時間較短。例如：當(dāng)前位置53，服務(wù)請求隊列98-183-37-122-14-124-65-67。服務(wù)順序53-65-67-37-14-98-122-124-183：總共需要移動236個磁道。缺點：公平性差，可能會出現(xiàn)服務(wù)請求長期得不到服務(wù)，甚至餓死。尋道時間并非最優(yōu)。435-4、掃描法（電梯調(diào)度法）算法思想：磁頭從一端出發(fā)向另一端移動，移動過程中，發(fā)現(xiàn)有請求對應(yīng)磁頭下的磁道，就對該請求提供服務(wù)。到另一端后，開始反向移動，遇到請求進行服務(wù)。算法特點:每個請求的等待時間不均勻，且平均等待時間長。如到達(dá)另一端反向時，將掃描的是剛剛掃描