演示文稿第六章設(shè)備管理

（優(yōu)選）第六章設(shè)備管理目前一頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.1I/O系統(tǒng)1、I/O設(shè)備的類型

1)按傳輸速率分類低速設(shè)備：這是指其傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)的一類設(shè)備。典型設(shè)備有鍵盤、鼠標(biāo)器、語音的輸入和輸出等設(shè)備。中速設(shè)備：這是指其傳輸速率在每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)的一類設(shè)備。典型設(shè)備有:行式打印機、激光打印機等。高速設(shè)備：這是指其傳輸速率在數(shù)百千個字節(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、磁盤機、光盤機等。目前二頁\總數(shù)五十九頁\編于三點

2)按信息交換的單位分類塊設(shè)備(BlockDevice)，這類設(shè)備用于存儲信息。由于信息的存取總是以數(shù)據(jù)塊為單位，故而得名。典型的塊設(shè)備是磁盤，每個盤塊的大小為512B~4KB。磁盤設(shè)備的基本特征是:1)傳輸速率較高，通常每秒鐘為幾兆位；

2)可尋址，即對它可隨機地讀/寫任一塊；字符設(shè)備(CharacterDevice)，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。如交互式終端、打印機等。傳輸速率低。字符設(shè)備在I／O時，常采用中斷驅(qū)動方式。目前三頁\總數(shù)五十九頁\編于三點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：獨占設(shè)備：它是指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶(進程)訪問的設(shè)備，即臨界資源；因而，對多個并發(fā)進程而言，應(yīng)互斥地訪問這類設(shè)備，系統(tǒng)一旦把這類設(shè)備分配給某進程后，便由該進程獨占，直至用完釋放，應(yīng)當(dāng)注意，獨占設(shè)備的分配有可能引起進程死鎖。共享設(shè)備：它是指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)備，當(dāng)然，對于每一時刻而言，該類設(shè)備仍然只允許一個進程訪問。虛擬設(shè)備：它是指通過虛擬技術(shù)將一臺獨占設(shè)備變換為若干臺邏輯設(shè)備，供若干個用戶(進程)同時使用，通常把這種經(jīng)過虛擬技術(shù)處理后的設(shè)備，稱為虛擬設(shè)備。目前四頁\總數(shù)五十九頁\編于三點2.設(shè)備控制器（I/O部件）

設(shè)備控制器是計算機中的一個實體，其主要職責(zé)是控制一個或多個I/O設(shè)備，以實現(xiàn)I/O設(shè)備與和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。它是CPU與I/O設(shè)備的接口，它接收從CPU發(fā)來的命令，并去控制I/O設(shè)備工作。

操作系統(tǒng)一般只與控制器打交道，而非設(shè)備本身。

早期CPU是直接控制外部設(shè)備的，在引入設(shè)備控制器之后，I/O指令功能加強，才將CPU逐漸從與外設(shè)的交互細節(jié)中解放出來。目前五頁\總數(shù)五十九頁\編于三點PCI總線控制器處理機內(nèi)存顯卡外設(shè)光盤磁盤IDE總線控制器外設(shè)控制器控制器控制器連接CPU、內(nèi)存、設(shè)備控制器和I/O設(shè)備模型

目前六頁\總數(shù)五十九頁\編于三點

每個控制器都有一些用來與CPU通訊的I/O寄存器。操作系統(tǒng)通過向這些寄存器寫命令字來實現(xiàn)I/O功能。鍵盤060-063硬盤320–32F打印機378–37F軟盤3F0–3F7彩色顯示器3D0–3DFIBMPC的I/O地址目前七頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.2I/O控制方式所謂I/O操作的控制方式也就是外圍設(shè)備和內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送控制方式，經(jīng)歷了程序直接控制方式，中斷控制方式，DMA方式和通道方式四種。它們之間的不同主要在與I/O交互過程中CPU的干預(yù)程度。目前八頁\總數(shù)五十九頁\編于三點一、程序直接控制方式

CPU直接控制I/O操作的全過程，包括發(fā)送讀寫命令、傳輸數(shù)據(jù)、測試設(shè)備狀態(tài)。

設(shè)備控制器接收到相應(yīng)的命令后，將I/O狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位置上。隨著操作的執(zhí)行更改狀態(tài)位，由CPU執(zhí)行相應(yīng)指令讀取I/O完成狀態(tài)。在該方式中，CPU還負責(zé)從主存中取出需要輸出的數(shù)據(jù)，送到設(shè)備控制器寄存器；或從設(shè)備控制器寄存器取出輸入數(shù)據(jù)，將輸入數(shù)據(jù)存入主存。目前九頁\總數(shù)五十九頁\編于三點CPU向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器狀態(tài)寄存器檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器讀字數(shù)據(jù)到CPU寄存器中將該字寫入內(nèi)存未OKOK出錯該塊讀完？OK下一指令未OK目前十頁\總數(shù)五十九頁\編于三點缺點：在這種方式中CPU的大量時間用在了等待輸入輸出的循環(huán)測試上，使主機不能充分發(fā)揮效率，外設(shè)也不能得到合理使用，整個系統(tǒng)效率很低。目前十一頁\總數(shù)五十九頁\編于三點二、中斷控制方式

CPU向I/O部件發(fā)出命令后，轉(zhuǎn)去做其他有用的工作。當(dāng)I/O部件準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后，利用中斷通知CPU，再由CPU完成數(shù)據(jù)傳輸。

CPU不必反復(fù)測試寄存器狀態(tài)，節(jié)約了時間。目前十二頁\總數(shù)五十九頁\編于三點向設(shè)備控制器發(fā)讀命令讀設(shè)備控制器狀態(tài)寄存器檢查狀態(tài)從設(shè)備控制器讀字數(shù)據(jù)將該字寫入內(nèi)存OK出錯處理該塊讀完？OK下一指令未OK中斷目前十三頁\總數(shù)五十九頁\編于三點缺點：雖然中斷的引入改善了中央處理機的利用率，但I/O操作畢竟還是由CPU控制的，此時每傳輸一個字或字符，往往就要做一次中斷處理，每個字的數(shù)據(jù)傳輸都必須經(jīng)過CPU寄存器轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見，當(dāng)I/O設(shè)備很多時，CPU可能完全陷入I/O處理中。目前十四頁\總數(shù)五十九頁\編于三點三、DMA方式前兩種方式的缺陷：

I/O的傳輸速率受CPU測試或中斷響應(yīng)的速度限制

CPU為管理I/O耗費大量時間。

DMA（直接內(nèi)存存?。┴撠?zé)完成整個I/O操作，無需再經(jīng)CPU寄存器轉(zhuǎn)發(fā)，并在全部傳輸結(jié)束后向CPU發(fā)中斷信號。

CPU向DMA部件發(fā)送I/O命令后，即可進行其他工作。當(dāng)傳送完成后，DMA部件向CPU發(fā)中斷信號。因此僅在數(shù)據(jù)塊傳送的開始和結(jié)束涉及到CPU。目前十五頁\總數(shù)五十九頁\編于三點四、通道方式I/O通道方式是DMA方式的發(fā)展，它可進一步減少CPU的干預(yù)，即把對一個數(shù)據(jù)塊的讀(或?qū)?為單位的干預(yù)，減少為對一組數(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，又可實現(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系統(tǒng)的資源利用率。目前十六頁\總數(shù)五十九頁\編于三點通道又稱I/O處理機，它能完成主存儲器和外設(shè)之間的信息傳輸，并與中央處理機并行操作。通道技術(shù)解決了I/O操作的獨立性和各部件的并行性。通道是一個具有特殊功能的處理器，可以實現(xiàn)對外圍設(shè)備的統(tǒng)一管理和外圍設(shè)備與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳輸。目前十七頁\總數(shù)五十九頁\編于三點CPU直接控制外部設(shè)備CPU直接控制設(shè)備控制器程序直接控制方式中斷驅(qū)動方式DMA控制方式I/O通道控制方式輸入輸出控制方式的發(fā)展過程引入設(shè)備控制器目前十八頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.3.1I/O層次結(jié)構(gòu)

通常，操作系統(tǒng)將設(shè)備管理系統(tǒng)劃分并組織成四個層次：用戶層I/O

設(shè)備無關(guān)的I/O（設(shè)備獨立性軟件）

設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序用戶層I/O設(shè)備驅(qū)動及中斷處理硬件系統(tǒng)調(diào)用接口，設(shè)備無關(guān)的操作系統(tǒng)軟件

6.3設(shè)備I/O子系統(tǒng)目前十九頁\總數(shù)五十九頁\編于三點用戶進程用戶層I/O設(shè)備無關(guān)的I/O設(shè)備驅(qū)動及中斷處理硬件設(shè)備管理子系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖核心態(tài)運行目前二十頁\總數(shù)五十九頁\編于三點一、用戶層I/O

實現(xiàn)與用戶交互的接口，用戶可直接調(diào)用在用戶層提供的、與I/O操作有關(guān)的庫函數(shù)，對設(shè)備進行操作。它將所有的設(shè)備看作邏輯資源，為用戶進程提供各類I/O函數(shù)。用戶以設(shè)備標(biāo)識符和一些簡單的函數(shù)來使用設(shè)備，如打開、關(guān)閉、讀、寫等。如C庫中的函數(shù)open();read();write();close()等。目前二十一頁\總數(shù)五十九頁\編于三點設(shè)備相關(guān)系統(tǒng)調(diào)用簡介申請設(shè)備。該系統(tǒng)調(diào)用中有參數(shù)說明了要申請的設(shè)備名稱，操作系統(tǒng)處理該系統(tǒng)調(diào)用時，會按照設(shè)備特性（是獨占還是共享式使用）及設(shè)備的占用情況來分配設(shè)備，返回申請是否成功標(biāo)志。將數(shù)據(jù)寫入設(shè)備。從設(shè)備讀取數(shù)據(jù)。釋放設(shè)備。這是申請設(shè)備的逆操作。目前二十二頁\總數(shù)五十九頁\編于三點在UNIX中，你也可以用如下的系統(tǒng)調(diào)用將數(shù)據(jù)直接寫入軟盤中：fd=open(“/dev/fd0”,O＿RDRW)；申請軟盤，/dev/fd0代表軟盤。iseek(fd,1024,0)；將軟盤當(dāng)前I/O位置定位到1024字節(jié)位置。write(fd,buffer,36)；將用戶緩沖區(qū)buffer中的36個字節(jié)寫入軟盤1024－1059字節(jié)?！璫lose(fd)；釋放軟盤。

目前二十三頁\總數(shù)五十九頁\編于三點二、設(shè)備無關(guān)的I/O（設(shè)備獨立性軟件）

設(shè)備獨立性的概念設(shè)備獨立性，也稱為設(shè)備無關(guān)性。其基本含義是：應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。I/O系統(tǒng)中有許多不同種類的設(shè)備，作為程序員，只需要知道如何使用這些資源來完成所需的操作，而無需了解設(shè)備的有關(guān)具體實現(xiàn)細節(jié)。目前二十四頁\總數(shù)五十九頁\編于三點

這一層的基本功能：向上層提供統(tǒng)一的系統(tǒng)調(diào)用接口，對下通過設(shè)備驅(qū)動程序接口調(diào)用設(shè)備驅(qū)動程序。主要任務(wù)：設(shè)備命名及與設(shè)備驅(qū)動程序的映射。在UNIX中，如/dev/fd0唯一地確定了一個inode數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中包含了主設(shè)備號，通過主設(shè)備號可以找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序。統(tǒng)一命名：在系統(tǒng)中對各類設(shè)備采取預(yù)先設(shè)計的、統(tǒng)一的邏輯名稱進行命名，所有軟件都以邏輯名稱訪問設(shè)備。目前二十五頁\總數(shù)五十九頁\編于三點在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某類設(shè)備；而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，還必須使用物理設(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，這非常類似于存儲器管理中所介紹的邏輯地址和物理地址的概念。目前二十六頁\總數(shù)五十九頁\編于三點邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址/dev/tty31024/dev/printer52046…..…..…..目前二十七頁\總數(shù)五十九頁\編于三點三、設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序包括了所有與設(shè)備相關(guān)的代碼，其功能是從與設(shè)備無關(guān)的軟件中接收I/O請求并執(zhí)行。與硬件直接相關(guān)，負責(zé)具體實現(xiàn)系統(tǒng)對設(shè)備發(fā)出的操作命令，驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序。目前二十八頁\總數(shù)五十九頁\編于三點中斷處理用于保存被中斷進程的CPU環(huán)境，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷處理程序進行處理，處理完后恢復(fù)被中斷進程的線程后返回被中斷進程。中斷處理層的主要工作有：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。四、中斷處理程序目前二十九頁\總數(shù)五十九頁\編于三點1、獨占式使用設(shè)備

所謂獨占式使用設(shè)備是指在一段時間內(nèi)只允許一個用戶（進程）訪問的設(shè)備。通常以一次設(shè)備使用過程為單位使用設(shè)備。在申請設(shè)備時，如果設(shè)備空閑，就將其獨占，不再允許其它進程申請使用，一直等到該設(shè)備被釋放，才允許被其它進程申請使用。6.3.2.設(shè)備的使用方法目前三十頁\總數(shù)五十九頁\編于三點2、分時共享式使用設(shè)備獨占式使用設(shè)備時，設(shè)備利用率很低。分時共享式設(shè)備是指在一段時間內(nèi)允許多個進程同時訪問的設(shè)備，當(dāng)然，對于每一時刻而言，該類設(shè)備仍然只允許一個進程訪問。目前三十一頁\總數(shù)五十九頁\編于三點3、可虛擬設(shè)備可虛擬設(shè)備是指一臺物理設(shè)備采用虛擬技術(shù)后，可變成多臺邏輯上的所謂虛擬設(shè)備。一臺可虛擬設(shè)備是可共享的設(shè)備，可以將它同時分配給多個進程使用，并對這些訪問該設(shè)備的先后次序進行控制。目前三十二頁\總數(shù)五十九頁\編于三點SPOOLing技術(shù)SPOOLing技術(shù)是在批處理操作系統(tǒng)時代引入的，即所謂假脫機輸入輸出技術(shù)。把這種技術(shù)用于對設(shè)備的使用實質(zhì)就是對輸入／輸出數(shù)據(jù)成批處理。對于有些設(shè)備必須進行獨占式使用，如打印機，通常往打印機輸出的數(shù)據(jù)不是獨立的字符行，而是一批關(guān)聯(lián)的字符行。當(dāng)輸出這批關(guān)聯(lián)字符行時，必須獨占打印機設(shè)備，才能使關(guān)聯(lián)的字符行打印出來。如果在進程執(zhí)行中一邊生成輸出結(jié)果一邊調(diào)用寫打印機系統(tǒng)調(diào)用輸出，則打印機在獨占期間因為等輸出結(jié)果而未被充分利用。因此必須避免邊生成邊打印，可以將輸出數(shù)據(jù)邊生成邊寫入文件中，文件相當(dāng)于虛擬打印設(shè)備，待全部輸入完成，在獨占打印機把文件內(nèi)容從打印機上打印出來。目前三十三頁\總數(shù)五十九頁\編于三點例如:同一進程所有輸出數(shù)據(jù)在進程運行時被寫到同一文件當(dāng)中，文件排到打印輸出隊列，打印進程申請占用打印機后，成批讀出文件中數(shù)據(jù)，并送打印機打印出去。打印請求隊列（含要打印文件）打印daemon進程打印機目前三十四頁\總數(shù)五十九頁\編于三點Spooling技術(shù)能將（）改造成可以共享的虛擬設(shè)備。

A．內(nèi)存B．獨占設(shè)備

C．CPUD．I/O設(shè)備虛擬設(shè)備：指通過虛擬技術(shù)將一臺獨占設(shè)備變換為若干臺供多個用戶（進程）共享的邏輯設(shè)備。一般可以利用假脫機（SPOOLing）技術(shù)實現(xiàn)虛擬設(shè)備。目前三十五頁\總數(shù)五十九頁\編于三點Spooling技術(shù)可以實現(xiàn)設(shè)備的（）分配。A.獨占B.虛擬C.物理目前三十六頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.3.3.緩沖技術(shù)雖然中斷、DMA和通道控制技術(shù)使得系統(tǒng)中設(shè)備和設(shè)備、設(shè)備和CPU等得以并行工作，但是外圍設(shè)備和CPU的處理速度不匹配的問題是客觀存在的。外圍設(shè)備和CPU處理速度不匹配的問題極大地制約了計算機系統(tǒng)性能的進一步提高和限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。例如，當(dāng)計算進程陣發(fā)性地把大批量數(shù)據(jù)輸出到打印機上打印時，由于CPU輸出數(shù)據(jù)的速度大大高于打印機的打印速度，因此，CPU只好停下來等待。反之，在計算進程進行計算時，打印機又因無數(shù)據(jù)輸出而空閑無事。目前三十七頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.3.3.緩沖技術(shù)外圍設(shè)備與處理機速度不匹配的問題可以采用設(shè)置緩沖區(qū)的方法解決。緩沖技術(shù)提高CPU與設(shè)備之間的并行程度。在系統(tǒng)主存空間開辟一片區(qū)域，將要從外部設(shè)備讀的數(shù)據(jù)預(yù)先讀到這片主存區(qū)，將要輸出到外部設(shè)備的數(shù)據(jù)先寫到這片主存區(qū)，以后再擇機寫到外部設(shè)備。在設(shè)置了緩沖區(qū)之后，計算進程可把數(shù)據(jù)首先輸出到緩沖區(qū)，然后繼續(xù)執(zhí)行，而打印機則可以從緩沖區(qū)取出數(shù)據(jù)慢慢打印。主存速度遠高于外部設(shè)備，因此緩沖技術(shù)的引入，匹配了外設(shè)與CPU之間的處理速度。目前三十八頁\總數(shù)五十九頁\編于三點一、單緩沖

當(dāng)用戶進程發(fā)出I/O請求時，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(xiàn)預(yù)讀和滯后寫。目前三十九頁\總數(shù)五十九頁\編于三點二、雙緩沖

可以實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)區(qū)—緩沖區(qū)之間交換數(shù)據(jù)和緩沖區(qū)—外設(shè)之間交換數(shù)據(jù)并行。三、循環(huán)緩沖

引入系統(tǒng)緩沖池，采用有限緩沖區(qū)的生產(chǎn)者/消費者模型對緩沖池中的緩沖區(qū)進行循環(huán)使用。

緩沖區(qū)結(jié)合預(yù)讀和滯后寫技術(shù)對具有重復(fù)性及陣發(fā)性I/O進程提高I/O速度很有幫助。目前四十頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.4存儲設(shè)備6.4.1.常見存儲外設(shè)

磁盤物理設(shè)施移動臂（動臂）、主軸、盤面、讀寫磁頭數(shù)據(jù)組織

(一個磁盤由多個盤面組成，盤面由同心圓磁道組成，磁道由扇區(qū)（盤塊）組成，扇區(qū)為基本傳輸單位）目前四十一頁\總數(shù)五十九頁\編于三點存取裝置主軸動臂盤面柱面磁道讀寫頭多磁頭活動頭盤示意圖

目前四十二頁\總數(shù)五十九頁\編于三點目前四十三頁\總數(shù)五十九頁\編于三點6.4.2.磁盤調(diào)度磁盤地址：臺號+磁道號+盤面號+扇區(qū)號

讀寫一次磁盤信息所需的時間可分解為：尋找時間、延遲時間、傳輸時間尋找時間：讀寫磁頭在讀寫信息之前，必須首先將磁頭移到相應(yīng)的磁道。磁頭這種定位磁道所花費的時間稱為尋找時間。延遲時間：讀寫磁頭定位于某一個磁道的扇區(qū)所需時間稱為延遲時間。傳輸時間：數(shù)據(jù)寫入磁盤或從磁盤讀出的時間。目前四十四頁\總數(shù)五十九頁\編于三點為提高磁盤傳輸效率，軟件應(yīng)著重考慮減少尋找時間和延遲時間。目前四十五頁\總數(shù)五十九頁\編于三點一、減少尋找時間的方法

減少尋找時間是提高磁盤傳輸效率的關(guān)鍵。因為“尋找時間”在幾十毫秒時間量級。

操作系統(tǒng)磁盤驅(qū)動程序可以通過合理調(diào)度多道進程對磁盤的訪問請求順序，達到減少磁盤平均服務(wù)時間的目的。目前四十六頁\總數(shù)五十九頁\編于三點例如，假設(shè)在某一時間，系統(tǒng)中的若干進程同時請求下列磁盤地址上的讀寫操作T0：磁道1，盤面2，扇區(qū)1；T1：磁道40，盤面3，扇區(qū)3；T2：磁道4，盤面4，扇區(qū)5；T3：磁道38，盤面5，扇區(qū)7.目前四十七頁\總數(shù)五十九頁\編于三點若按照自然的時間順序訪問磁盤，則磁頭將在盤面的水平方向為定位在各柱面來回運動，尋找時間會較長。若操作系統(tǒng)對各服務(wù)請求順序進行重新調(diào)整，可以減少尋找時間。目前四十八頁\總數(shù)五十九頁\編于三點調(diào)度策略：

FCFS（先來先服務(wù)法）

SSTF（最短尋道時間優(yōu)先法）

SCAN調(diào)度(電梯調(diào)度法）

C-SCAN調(diào)度（單向掃描法）目前四十九頁\總數(shù)五十九頁\編于三點FCFS調(diào)度最簡單的磁盤調(diào)度算法，簡單，效果不好。假設(shè)磁盤請求隊列中所涉及的柱面號（磁道號）為Queue=98，183，37，122，14，124，65，67。磁頭的初始位置為53。目前五十頁\總數(shù)五