計(jì)算機(jī)設(shè)備管理-操作系統(tǒng)

第5章設(shè)備管理

操作系統(tǒng)中負(fù)責(zé)I/O設(shè)備管理部分稱為I/O系統(tǒng)，完成設(shè)備管理功效，對(duì)OS影響非常大。與處理機(jī)管理、存放器管理親密相關(guān)，設(shè)備管理所以經(jīng)常作為操作系統(tǒng)內(nèi)核一部分。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第1頁(yè)設(shè)備管理主要對(duì)象：I/O設(shè)備，設(shè)備控制器和I/O通道。設(shè)備管理基本任務(wù)：完成用戶提出I/O請(qǐng)求，提升I/O效率，提升I/O設(shè)備利用率。設(shè)備管理主要功效：緩沖區(qū)管理，設(shè)備分配，設(shè)備處理，虛擬設(shè)備，實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性。I/O設(shè)備種類多操作差異大，設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最繁雜且與硬件最緊密相關(guān)部分。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第2頁(yè)5.1I/O系統(tǒng)概述

I/O系統(tǒng)組成主要包含：I/O設(shè)備、設(shè)備控制器及相關(guān)接口、總線等，大型主機(jī)還包含I/O通道。

計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第3頁(yè)5.1.1I/O設(shè)備

1、I/O設(shè)備類型(1)

按傳輸速率分類低速：鍵盤、鼠標(biāo)、語(yǔ)音輸入輸出設(shè)備。中速：行式打印機(jī)、激光打印機(jī)。高速：磁盤、磁帶、光盤。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第4頁(yè)（2）

按信息交換單位分類（信息組織方式）：塊設(shè)備：信息存取以數(shù)據(jù)塊為單位，如磁盤（適合DMA方式）字符設(shè)備：信息存取以字符為單位，如打印機(jī)、交互式終端。（3）

按設(shè)備共享屬性分類：獨(dú)占：如打印機(jī)共享：如磁盤虛擬：經(jīng)過(guò)虛擬技術(shù)將一臺(tái)獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺(tái)邏輯設(shè)備，供多個(gè)進(jìn)程同時(shí)使用。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第5頁(yè)2、設(shè)備與控制器之間接口設(shè)備不直接同計(jì)算機(jī)連接，普通是經(jīng)過(guò)專用電纜線連接控制器與設(shè)備。二者傳遞信號(hào)主要是三類：(1)數(shù)據(jù)信號(hào)：控制器到設(shè)備（輸出）、設(shè)備到控制器（輸入）(2)控制信號(hào)：控制器到設(shè)備(3)狀態(tài)信號(hào)：設(shè)備到控制器在小型機(jī)和微型機(jī)中，控制器普通直接做成印刷電路板插入計(jì)算機(jī)（在微機(jī)中習(xí)慣稱為卡，如圖形加速卡，網(wǎng)卡）計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第6頁(yè)5.1.2I/O管理目標(biāo)設(shè)備管理要到達(dá)主要目標(biāo)是：1.提供統(tǒng)一界面、方便用戶使用使用邏輯操作和邏輯設(shè)備名掩蓋設(shè)備物理細(xì)節(jié)。程序?qū)υO(shè)備獨(dú)立性：在源程序和目標(biāo)程序中都使用設(shè)備符號(hào)名（邏輯設(shè)備名）；提供設(shè)備管理與文件系統(tǒng)統(tǒng)一接口；向程序提供設(shè)備重定向功效。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第7頁(yè)2.發(fā)揮系統(tǒng)并行性，提升I/O設(shè)備使用效率。采取各種軟硬結(jié)合技術(shù)使設(shè)備、CPU、用戶程序、人這四者到達(dá)最高程度并行采取技術(shù)有：中止技術(shù)、緩沖技術(shù)、設(shè)備共享和假脫機(jī)技術(shù)。3.實(shí)現(xiàn)設(shè)備正確、安全使用——設(shè)備保護(hù)技術(shù)：掩蓋細(xì)節(jié)高級(jí)接口；命名與權(quán)限管理；只有特權(quán)指令才能使用設(shè)備硬件接口。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第8頁(yè)5.1.3I/O管理功效

1.緩沖區(qū)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件速度差異很大。中央處理機(jī)速度以納秒計(jì)，外部設(shè)備處理速度則以毫秒甚至秒計(jì)。在不同時(shí)刻，系統(tǒng)各部分負(fù)荷也常常很不均衡。為充分發(fā)揮并行性，引入緩沖技術(shù)。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第9頁(yè)

2.外圍設(shè)備分配按照設(shè)備類型(獨(dú)享、共享或虛擬)和系統(tǒng)中所采用分配算法，決定把一個(gè)I/O設(shè)備分配給哪一個(gè)要求該類設(shè)備進(jìn)程。在大、中系統(tǒng)中，分配設(shè)備同時(shí)，還應(yīng)分配相應(yīng)控制器和通道，以保證I/O設(shè)備與CPU之間有傳遞信息通路；凡未分配到所需設(shè)備或控制器或通道進(jìn)程，應(yīng)放入相應(yīng)等待隊(duì)列。設(shè)備分配程序就是用來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第10頁(yè)3.設(shè)備處理設(shè)備處理程序又叫設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。4.虛擬設(shè)備及實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第11頁(yè)5.1.4I/O應(yīng)用接口I/O系統(tǒng)必須采取某種技術(shù)使I/O設(shè)備能夠按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)方式對(duì)待。采取方式有：抽象、包裝與軟件分層能夠從不一樣I/O設(shè)備中抽象出一些通用類型。每個(gè)通用類型都能夠經(jīng)過(guò)一組標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（即接口）來(lái)訪問(wèn)。詳細(xì)差異被內(nèi)核模塊（設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序）所封裝。不一樣設(shè)備有自己驅(qū)動(dòng)程序，但提供了一組標(biāo)準(zhǔn)接口。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第12頁(yè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)訛閮?nèi)核I/O子系統(tǒng)隱藏設(shè)備控制器之間差異，從而簡(jiǎn)化了OS開發(fā)人員任務(wù)，也有利于硬件制造商。每種OS都有自己設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口。故一個(gè)特定設(shè)備可能有各種設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。而I/O系統(tǒng)調(diào)用又為上層應(yīng)用程序包裝了硬件細(xì)節(jié)。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第13頁(yè)5.1.5設(shè)備管理總體結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第14頁(yè)劃分為四層：①設(shè)備中止處理程序；中止處理程序是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序中一部分②設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；③與設(shè)備無(wú)關(guān)操作系統(tǒng)軟件(設(shè)備無(wú)關(guān)層）負(fù)責(zé)將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名，實(shí)現(xiàn)設(shè)備分配和回收，進(jìn)行緩沖區(qū)管理。④用戶級(jí)軟件（指用戶空間I/O軟件）用戶與設(shè)備管理模塊接口，負(fù)責(zé)解釋用戶應(yīng)用請(qǐng)求，并將這種請(qǐng)求轉(zhuǎn)化為詳細(xì)輸入/輸出操作。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第15頁(yè)相關(guān)層（較低層）用于將硬件特征與無(wú)關(guān)層（較高層）隔離開，而無(wú)關(guān)層（較高層）則參加向用戶提供一個(gè)友好、清楚而規(guī)范接口。從功效上看，無(wú)關(guān)層是I/O管理主要部分，從代碼量看，驅(qū)動(dòng)層是I/O管理主要部分。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第16頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第17頁(yè)內(nèi)核I/O結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第18頁(yè)LifeCycleofAnI/ORequest計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第19頁(yè)5.1.6I/O控制方式問(wèn)詢方式，又稱程序直接控制方式。中止方式DMA方式通道技術(shù)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第20頁(yè)5.2內(nèi)核I/O子系統(tǒng)內(nèi)核I/O子系統(tǒng)是建立在硬件和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序之上。提供與I/O相關(guān)服務(wù)，如調(diào)度、緩沖、高速緩沖、假脫機(jī)、錯(cuò)誤處理等。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第21頁(yè)5.2.1I/O調(diào)度I/O調(diào)度是指OS依據(jù)一定算法按照一定次序?yàn)橄到y(tǒng)中I/O請(qǐng)求提供服務(wù)。從而改進(jìn)系統(tǒng)性能，使進(jìn)程公平地共享設(shè)備。OS經(jīng)過(guò)為每個(gè)設(shè)備維護(hù)一個(gè)請(qǐng)求隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)度。I/O調(diào)度依據(jù)需要重新安排隊(duì)列次序以改進(jìn)系統(tǒng)總體效率和應(yīng)用程序平均響應(yīng)時(shí)間。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第22頁(yè)5.2.2

緩沖管理

緩沖區(qū)是用來(lái)保留在兩個(gè)設(shè)備之間或在設(shè)備和應(yīng)用程序之間所傳輸數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)域。1.引入緩沖區(qū)原因（1）處理數(shù)據(jù)生產(chǎn)者和消費(fèi)者速度不匹配。如從調(diào)制解調(diào)器上收到文件并保留到硬盤上。（2）協(xié)調(diào)傳輸數(shù)據(jù)大小不一致設(shè)備。如計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，發(fā)送方消息被分成若干包，接收方在緩沖區(qū)中重組數(shù)據(jù)。（3）降低對(duì)CPU中止頻率（4）提升CPU和I/O設(shè)備之間并行性計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第23頁(yè)2.單緩沖(singlebuffer)：當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求時(shí)，OS便在主存中為之分配一個(gè)緩沖區(qū)。一個(gè)緩沖區(qū)，CPU和外設(shè)輪番使用，一方處理完之后接著等候?qū)Ψ教幚怼?/p>

計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第24頁(yè)3.雙緩沖(doublebuffer)：為了加緊輸入和輸出速度，引入雙緩沖區(qū)。設(shè)備輸入時(shí)，先將數(shù)據(jù)送入第一緩沖區(qū)，裝滿后再轉(zhuǎn)向第二緩沖區(qū)。此時(shí)OS能夠從第一緩沖區(qū)移出數(shù)據(jù)，送入用戶進(jìn)程所在內(nèi)存。兩個(gè)緩沖區(qū)，CPU和外設(shè)都能夠連續(xù)處理而無(wú)需等候?qū)Ψ?。要求CPU和外設(shè)速度相近。

計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第25頁(yè)4.循環(huán)緩沖

環(huán)形緩沖(circularbuffer)：多個(gè)緩沖區(qū)，CPU和外設(shè)處理速度能夠相差較大?？蓞⒁姟吧a(chǎn)者－消費(fèi)者問(wèn)題”，以上緩沖區(qū)僅適合用于特定I/O進(jìn)程和計(jì)算進(jìn)程，屬于專用緩沖區(qū)。系統(tǒng)較大時(shí)，會(huì)有多個(gè)專用緩沖區(qū)，消耗大量?jī)?nèi)存空間，利用率低，當(dāng)前廣泛使用公用緩沖池，池中設(shè)置了多個(gè)供若干進(jìn)程共享緩沖區(qū)。

計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第26頁(yè)5.緩沖池(1)緩沖池組成既可用于輸入，又可用于輸出，緩沖池中有三類緩沖區(qū)：①

空閑緩沖區(qū)隊(duì)列emq②輸入緩沖區(qū)隊(duì)列inq：由裝滿輸入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)鏈成隊(duì)列。③輸出緩沖區(qū)隊(duì)列outq：由裝滿輸出數(shù)據(jù)緩沖區(qū)鏈成隊(duì)列。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第27頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第28頁(yè)(2)

對(duì)緩沖池操作：①收容輸入——設(shè)備輸入數(shù)據(jù)②提取輸入——計(jì)算進(jìn)程讀入數(shù)據(jù)③收容輸出——計(jì)算進(jìn)程輸出數(shù)據(jù)④提取輸出——向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)。上述操作訪問(wèn)各個(gè)緩沖區(qū)隊(duì)列時(shí)，需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)互斥操作。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第29頁(yè)5.2.3

設(shè)備分配與回收當(dāng)進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請(qǐng)求時(shí)，只要是可能和安全，設(shè)備分配程序便按照一定策略把設(shè)備分配給請(qǐng)求進(jìn)程。有系統(tǒng)中還要分配對(duì)應(yīng)控制器和通道。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第30頁(yè)1

設(shè)備分配中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

(1)設(shè)備控制表(DCT,DeviceControlTable)每個(gè)設(shè)備一張，描述設(shè)備特征和狀態(tài)。反應(yīng)設(shè)備特征、設(shè)備和控制器連接情況。DCT內(nèi)容主要包含：設(shè)備標(biāo)識(shí)：用來(lái)區(qū)分不一樣設(shè)備；設(shè)備類型：反應(yīng)設(shè)備特征；如：塊設(shè)備或字符設(shè)備；設(shè)備配置：I/O地址等；計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第31頁(yè)設(shè)備狀態(tài)：忙/閑，等候/不等候；（若與設(shè)備鏈接控制器或通道忙，則等候）等候隊(duì)列：等候使用該設(shè)備進(jìn)程隊(duì)列；

與設(shè)備連接控制器表指針。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第32頁(yè)(2)系統(tǒng)設(shè)備表(SDT,SystemDeviceTable)系統(tǒng)內(nèi)一張，反應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)備資源狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)全部設(shè)備狀態(tài)及其設(shè)備控制表入口。SDT表項(xiàng)主要組成：DCT指針：指向?qū)?yīng)設(shè)備DCT；設(shè)備使用進(jìn)程標(biāo)識(shí)：正在使用該設(shè)備進(jìn)程標(biāo)識(shí)；DCT信息：為引用方便而保留DCT信息，如：設(shè)備標(biāo)識(shí)、設(shè)備類型等；計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第33頁(yè)(3)控制器控制表(COCT,COntrollerControlTable)每個(gè)設(shè)備控制器一張，描述I/O控制器配置和狀態(tài)。如DMA控制器所占用中止號(hào)、DMA數(shù)據(jù)通道分配。(4)通道控制表(CHCT,CHannelControlTable)每個(gè)通道一張，描述通道工作狀態(tài)?？刂破鳂?biāo)識(shí)符控制器狀態(tài)：忙/空閑與控制器連接通道指針等候控制器進(jìn)程隊(duì)列指針計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第34頁(yè)系統(tǒng)設(shè)備表設(shè)備控制表控制器控制表1通道控制表設(shè)備控制表1控制器控制表2控制器控制表n設(shè)備控制表npcbpcbpcbpcb(5)表格之間關(guān)系pcbpcb計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第35頁(yè)2

設(shè)備分配時(shí)應(yīng)考慮原因

設(shè)備分配標(biāo)準(zhǔn)是合理使用外設(shè)(公平和防止死鎖)，提升設(shè)備使用率。(1)考慮設(shè)備固有屬性獨(dú)享設(shè)備：打印機(jī)等。進(jìn)程使用完自己釋放，普通不能剝奪；

共享設(shè)備：磁盤、網(wǎng)卡等。多個(gè)進(jìn)程并發(fā)使用，需合理調(diào)度；虛擬設(shè)備：虛擬打印機(jī)等?？捎卸鄠€(gè)進(jìn)程使用，但FCFS。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第36頁(yè)(2)設(shè)備分配算法與進(jìn)程調(diào)度類似，但簡(jiǎn)單一些；先來(lái)先服務(wù)(FCFS)：按I/O請(qǐng)求先后次序，排成I/O請(qǐng)求命令隊(duì)列；按FCFS分配設(shè)備；基于優(yōu)先級(jí)：依據(jù)進(jìn)程優(yōu)先級(jí)，指定I/O請(qǐng)求優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高排在設(shè)備隊(duì)列隊(duì)首；同優(yōu)先級(jí)則FCFS；按優(yōu)先級(jí)高低分配設(shè)備。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第37頁(yè)(3)設(shè)備分配中安全性①安全分配方式進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后阻塞，完成后喚醒，即進(jìn)程運(yùn)行時(shí)不占有任何設(shè)備資源，擯棄了“請(qǐng)求保持”條件。缺點(diǎn)：CPU與I/O設(shè)備是串行工作。②不安全分配方式進(jìn)程發(fā)出I/O請(qǐng)求后仍繼續(xù)運(yùn)行，又可發(fā)出I/O請(qǐng)求，僅當(dāng)進(jìn)程所請(qǐng)求設(shè)備已被另一進(jìn)程占用時(shí)，進(jìn)程才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)：多個(gè)設(shè)備并行操作；缺點(diǎn)：可能造成死鎖。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第38頁(yè)3

設(shè)備獨(dú)立性(1)設(shè)備獨(dú)立性（Deviceindependence）概念設(shè)備獨(dú)立性指除了直接與設(shè)備打交道底層軟件之外，其它部分軟件并不依賴于硬件。能夠提升軟件設(shè)計(jì)效率。為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性：引入物理設(shè)備、邏輯設(shè)備應(yīng)用程序使用邏輯設(shè)備名調(diào)用設(shè)備；OS實(shí)際執(zhí)行時(shí)，使用物理設(shè)備名。OS負(fù)責(zé)將邏輯設(shè)備名轉(zhuǎn)換為物理設(shè)備名。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第39頁(yè)(2)設(shè)備獨(dú)立性帶來(lái)以下好處：①設(shè)備分配時(shí)靈活性進(jìn)程請(qǐng)求設(shè)備時(shí)，OS可從一類設(shè)備中選擇空閑分配，不會(huì)因特定設(shè)備忙而阻塞。②實(shí)現(xiàn)I/O重定向I/O重定向：實(shí)現(xiàn)I/O操作設(shè)備能夠更換，而無(wú)須改變應(yīng)用程序。如，調(diào)試程序時(shí)先輸出到屏幕，最終再打印計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第40頁(yè)(3)邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射實(shí)現(xiàn)①邏輯設(shè)備表（LUT）當(dāng)進(jìn)程用邏輯設(shè)備名請(qǐng)求I/O設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)為它分配對(duì)應(yīng)物理設(shè)備，并在LUT中建立一個(gè)表目。②LUT設(shè)置可采取兩種方式整個(gè)系統(tǒng)一張，不能有相同邏輯設(shè)備名。每個(gè)用戶一張，放入PCB中計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第41頁(yè)4.基本設(shè)備分配程序(1)分配設(shè)備(2)分配控制器(3)分配通道系統(tǒng)設(shè)備表設(shè)備控制表控制器控制表1通道控制表設(shè)備控制表1控制器控制表2控制器控制表n設(shè)備控制表npcbpcbpcbpcbpcbpcb計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第42頁(yè)5.2.4SPOOLing技術(shù)

利用假脫機(jī)技術(shù)(SPOOLing,SimultaneousPeripheralOperationOnLine,也稱為虛擬設(shè)備技術(shù))可把獨(dú)享設(shè)備轉(zhuǎn)變成含有共享特征虛擬設(shè)備，從而提升設(shè)備利用率。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第43頁(yè)1、什么是SPOOLing引入：在多道程序系統(tǒng)中，專門利用一道程序（SPOOLing程序）來(lái)完成對(duì)設(shè)備I/O操作。無(wú)需使用外圍I/O處理機(jī)。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第44頁(yè)讓主機(jī)直接控制I/O稱為聯(lián)機(jī)I/O；讓另一臺(tái)“外圍機(jī)”代替主機(jī)控制I/O稱為脫機(jī)I/O。SPOOLing用聯(lián)機(jī)I/O模擬脫機(jī)I/O操作，故稱為“假脫機(jī)”。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第45頁(yè)原理：SPOOLing程序和外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以稱為“實(shí)際I/O”。一方面，SPOOLing程序預(yù)先從外設(shè)輸入數(shù)據(jù)并加以緩沖（輸入井），在以后需要時(shí)候輸入到應(yīng)用程序；其次，SPOOLing程序接收應(yīng)用程序輸出數(shù)據(jù)并加以緩沖（輸出井），在以后適當(dāng)時(shí)候輸出到外設(shè)。應(yīng)用程序進(jìn)行I/O操作時(shí)，只是和SPOOLing程序交換數(shù)據(jù)，可以稱為“虛擬I/O”。這時(shí)候虛擬I/O實(shí)際上是SPOOLing程序從緩沖池中讀出數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)送入緩沖池，而不是跟實(shí)際外設(shè)進(jìn)行I/O操作。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第46頁(yè)2、SPOOLing系統(tǒng)組成（1）輸入井和輸出井：在磁盤上。（2）

輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：在內(nèi)存。緩解CPU和磁盤速度不匹配矛盾。（3）

輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程：守護(hù)（daemon）進(jìn)程計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第47頁(yè)3、SPOOLing系統(tǒng)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：高速虛擬I/O操作：應(yīng)用程序虛擬I/O比實(shí)際I/O速度提升，縮短應(yīng)用程序執(zhí)行時(shí)間（盡快完成計(jì)算，并釋放占用計(jì)算機(jī)資源）。實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)享設(shè)備共享：SPOOLing系統(tǒng)中，未為任何進(jìn)程分配設(shè)備，是在輸入井和輸出井中為進(jìn)程分配一個(gè)存放區(qū)、建立一張I/O請(qǐng)求表。由SPOOLing程序提供虛擬設(shè)備，使每個(gè)使用獨(dú)占設(shè)備進(jìn)程都認(rèn)為是自己獨(dú)占了一個(gè)設(shè)備。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第48頁(yè)4、舉例：打印機(jī)設(shè)備和可由打印機(jī)管理器管理打印作業(yè)隊(duì)列。如：WindowsNT中，應(yīng)用程序直接向針式打印機(jī)輸出需要15分鐘，而向打印作業(yè)隊(duì)列輸出只需要1分鐘，今后用戶能夠關(guān)閉應(yīng)用程序而轉(zhuǎn)入其它工作，在以后適當(dāng)時(shí)候由打印機(jī)管理器完成15分鐘打印輸出而無(wú)需用戶干預(yù)。又如Internet上USENET電子郵件系統(tǒng)，要向某人發(fā)郵件，先調(diào)用一個(gè)稱為send程序，send接到要發(fā)郵件，然后將它送入一個(gè)SPOOLing目錄，待以后發(fā)送。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第49頁(yè)5.2.5犯錯(cuò)處理設(shè)備和I/O傳輸犯錯(cuò)有各種方式：短暫犯錯(cuò)OS能夠填補(bǔ)，如磁盤read錯(cuò)能夠重read永久錯(cuò)誤OS就不可能從中恢復(fù)。如磁盤控制器故障。I/O系統(tǒng)調(diào)用通常返回一位調(diào)用狀態(tài)信息，以表示成功或失敗。UNIX系統(tǒng)用一個(gè)全局變量表示犯錯(cuò)代碼，以表示犯錯(cuò)原因。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第50頁(yè)5.3設(shè)備處理

5.3.1設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序功效和特點(diǎn)一、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序功效1．

將上層軟件發(fā)來(lái)抽象要求轉(zhuǎn)換為詳細(xì)要求，發(fā)送給設(shè)備控制器。如將盤塊號(hào)轉(zhuǎn)換為磁盤盤面、磁道號(hào)及扇區(qū)號(hào)。2．

檢驗(yàn)用戶I/O請(qǐng)求正當(dāng)性，了解設(shè)備狀態(tài)，傳遞相關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備工作方式。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第51頁(yè)3．

發(fā)出I/O命令，若設(shè)備空閑則開啟。若設(shè)備忙，則將請(qǐng)求者請(qǐng)求塊掛在設(shè)備隊(duì)列上。4．及時(shí)響應(yīng)通道或控制器發(fā)來(lái)中止請(qǐng)求，調(diào)用對(duì)應(yīng)中止處理程序。5.對(duì)于設(shè)置有通道，自動(dòng)組成通道程序計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第52頁(yè)二、設(shè)備處理方式1．

作為應(yīng)用進(jìn)程一部分執(zhí)行：與程序控制I/O相對(duì)應(yīng)，難以對(duì)外設(shè)發(fā)出中止作實(shí)時(shí)響應(yīng)；2．

作為系統(tǒng)進(jìn)程執(zhí)行：為每類設(shè)備設(shè)置一個(gè)進(jìn)程；或整個(gè)系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)I/O進(jìn)程，負(fù)責(zé)對(duì)各類設(shè)備I/O進(jìn)程管理；也可設(shè)置一個(gè)輸入進(jìn)程和一個(gè)輸出進(jìn)程；3．

不設(shè)進(jìn)程，作為OS關(guān)鍵中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，供用戶或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第53頁(yè)三、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序特點(diǎn)1．

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是在I/O請(qǐng)求進(jìn)程與設(shè)備控制器之間橋梁，中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)和控制。2．

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與I/O設(shè)備特征、控制方式及硬件親密相關(guān)，普通由廠商提供。3．

向上屏蔽設(shè)備細(xì)節(jié)：不一樣類型設(shè)備通常其設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序接口不一樣，同類設(shè)備接口相同。所以，同類設(shè)備不一樣型號(hào)，只要更換設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序則可由OS使用。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第54頁(yè)5.3.2設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序處理過(guò)程

1．

將抽象要求轉(zhuǎn)化為詳細(xì)要求。2．

檢驗(yàn)I/O請(qǐng)求正當(dāng)性3．

讀出和檢驗(yàn)設(shè)備狀態(tài)4．

傳送參數(shù)5．

設(shè)置工作方式6．

開啟I/O設(shè)備計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第55頁(yè)5.3.3中止處理程序處理過(guò)程

1．

喚醒被阻塞驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)程2．

保護(hù)被中止進(jìn)程上下文3．

分析中止原因并轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)中止處理程序4．

中止處理5．

恢復(fù)被中止進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第56頁(yè)5.4磁盤存放器管理

磁盤存放器：隨機(jī)讀寫共享設(shè)備，可移動(dòng)介質(zhì)特點(diǎn):容量大，速度快。管理要求：合理分配空間、訪問(wèn)效率高，容錯(cuò)能力強(qiáng)。其性能直接影響文件系統(tǒng)性能指標(biāo)。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第57頁(yè)5.4.1磁盤性能簡(jiǎn)述

1、

數(shù)據(jù)組織地址格式：驅(qū)動(dòng)器號(hào)、磁道號(hào)、磁頭號(hào)、扇區(qū)號(hào)2、

磁盤類型（1）固定頭磁盤（2）移動(dòng)頭磁盤3、

磁盤訪問(wèn)時(shí)間（1）尋道時(shí)間：與尋道距離成正比（2）旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間（3）傳輸時(shí)間影響磁盤訪問(wèn)時(shí)間主要參數(shù)是尋道時(shí)間。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第58頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第59頁(yè)5.4.2磁盤調(diào)度提升磁盤I/O速度路徑：（1）

硬件處理（2）

好調(diào)度算法（3）

緩沖區(qū)來(lái)自不一樣進(jìn)程磁盤I/O請(qǐng)求組成一個(gè)隨機(jī)分布請(qǐng)求隊(duì)列。磁盤I/O調(diào)度算法主要目標(biāo)就是降低請(qǐng)求隊(duì)列對(duì)應(yīng)平均柱面定位時(shí)間（尋道時(shí)間）。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第60頁(yè)1、先來(lái)先服務(wù)（FCFS）磁盤I/O執(zhí)行次序?yàn)榇疟PI/O請(qǐng)求先后次序。該算法特點(diǎn)是公平性；在磁盤I/O負(fù)載較輕且每次讀寫多個(gè)連續(xù)扇區(qū)時(shí)，性能很好。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第61頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第62頁(yè)2、最短尋道時(shí)間優(yōu)先SSTF(ShortSeekTimeFirst)考慮磁盤I/O請(qǐng)求隊(duì)列中各請(qǐng)求磁頭定位位置，選擇從當(dāng)前磁頭位置出發(fā)，移動(dòng)最少磁盤I/O請(qǐng)求。該算法目標(biāo)是使每次磁頭移動(dòng)時(shí)間最少。訪問(wèn)磁道與當(dāng)前磁頭所在位置最近，但不能確保平均尋道時(shí)間最短，但比FIFO算法有更加好性能。進(jìn)程有可能“餓死”。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第63頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第64頁(yè)3、掃描(SCAN)算法：電梯調(diào)度算法。選擇在磁頭前進(jìn)方向上從當(dāng)前位置移動(dòng)最少磁盤I/O請(qǐng)求執(zhí)行，沒(méi)有前進(jìn)方向上請(qǐng)求時(shí)才改變方向。該算法是對(duì)SSTF算法改進(jìn)，磁盤I/O很好，且沒(méi)有進(jìn)程會(huì)餓死。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第65頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第66頁(yè)4、循環(huán)掃描算法CSCAN(CircularSCAN)：在一個(gè)方向上使用掃描算法，當(dāng)?shù)诌_(dá)邊緣時(shí)直接移動(dòng)到另一沿第一個(gè)位置，即磁頭向一個(gè)方向移動(dòng)，到頭后馬上返回。該算法可改進(jìn)掃描算法對(duì)中間磁道偏好。試驗(yàn)表明，該算法在中負(fù)載或重負(fù)載時(shí)，磁盤I/O性能比掃描算法好。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第67頁(yè)計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第68頁(yè)以上算法無(wú)法處理磁臂粘著問(wèn)題。5．N-Step-SCAN算法：把磁盤I/O請(qǐng)求隊(duì)列分成長(zhǎng)度為N段，每次使用掃描算法處理這N個(gè)請(qǐng)求，即將請(qǐng)求任務(wù)分成長(zhǎng)度為N若干個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列間調(diào)度采取FCFS方式，隊(duì)列內(nèi)部請(qǐng)求以SCAN方式調(diào)度。該算法目標(biāo)是處理磁臂粘著問(wèn)題。當(dāng)N值很大時(shí)，該算法靠近于SCAN;而N=1時(shí)該算法變?yōu)镕CFS。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第69頁(yè)6．FSCAN調(diào)度算法將N-Step-SCAN算法中隊(duì)列數(shù)目定為2。把磁盤I/O請(qǐng)求分成兩個(gè)隊(duì)列，交替使用掃描算法處理一個(gè)隊(duì)列，新生成磁盤I/O請(qǐng)求放入另一隊(duì)列中。該算法目標(biāo)與N步掃描算法一致。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第70頁(yè)作業(yè)某磁盤有1000個(gè)柱面（0～999），設(shè)磁頭當(dāng)前位置是756，磁頭正向0磁道運(yùn)動(dòng)。按照FIFO排列磁盤請(qǐng)求隊(duì)列以下：811,348,153,968,407,500畫圖說(shuō)明FCFS、SCAN、SSTF算法完成上述磁盤請(qǐng)求調(diào)度情況，并計(jì)算為滿足上述請(qǐng)求，各算法中磁頭運(yùn)動(dòng)磁道數(shù)。計(jì)算機(jī)設(shè)備管理--操作系統(tǒng)第71頁(yè)5.4.3磁盤高速緩存1.磁盤高速緩存形式指利用內(nèi)存空間暫存從磁盤中讀出盤塊信息。是一組邏輯上屬于磁盤，物理上駐留內(nèi)存盤塊。磁盤高速緩存在內(nèi)存中有兩種形式：大小固定，不受應(yīng)用程序多少影響。全部未利用內(nèi)存