chapter5-設備管理 計算機操作系統(tǒng) 教學課件

計算機操作系統(tǒng)

主講教師：周星

1課程主要內容

詼操作系統(tǒng)引論（1章）

育進程管理（2?3章）

黨存儲管理（4章）

育設備管理（5章）

詼文件管理（6章）

貨操作系統(tǒng)接口（7章）

的系統(tǒng)安全性（9章）

甘*分布式操作系統(tǒng)

上設備管理概述

設備管理是操作系統(tǒng)對計算機系統(tǒng)中除CPU和內存之

外的外部設備進行管理、以及對數(shù)據(jù)傳輸進行控制的模塊,

是操作系統(tǒng)資源管理中最復雜、最多樣化的部分。

操作系統(tǒng)設備管理中，提高設備利用率的關鍵是實現(xiàn)

設備的并行操作。一方面，諸設備要與CPU并行，另一方

面，諸設備間也要并行。操作系統(tǒng)的設備管理模塊要在硬

件提供的通道和中斷機制、以及設備提供的物理性能的支

持下，實現(xiàn)多任務、多進程共享多種外部設備，高效地完

成數(shù)據(jù)傳輸工作。

上第5章設備管理

5.1I/O系統(tǒng)

5.2I/O控制方式

5.3緩沖管理

5.4設備分配

5?5設備處理

本章作業(yè)

5.6磁盤存儲器管理

5.7*UNIX系統(tǒng)中的設備管理

*5.1I/O系統(tǒng)

■I/O系統(tǒng)：用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲

的系統(tǒng)。

511I/O設備

5」.2設備控制器

513I/O通道

5.1,4I/O系統(tǒng)的總線系統(tǒng)

5.1.5I/O系統(tǒng)的結構

*5.1」I/O設備

1、I/O設備的類型

1）按設備的從屬關系分類

力系統(tǒng)設備：指操作系統(tǒng)生成時即安裝操作系統(tǒng)時,

就納入系統(tǒng)管理范圍的各種標準設備。如鍵盤、

顯示器、打印機等。

力用戶設備：它是指系統(tǒng)設備之外的非標準設備，

在安裝操作系統(tǒng)時沒有配置，而由用戶自己安裝

配置的設備。如繪圖儀、掃描儀等。

上5.1.1I/O設備

2）按信息交換的單位分類

o塊設備：信息交換的基本單位為字符塊，屬

于有結構設備，塊大小一般為512B-4KB,

典型的有：磁盤、磁帶等。

o字符設備：信息交換的基本單位為字符，典

型的有：鍵盤、打印機和顯示器等。

5,1.1I/O設備----------.

-------------------------f包括所有的字符型

3>）按使用方式/共享屬性分類備和磁帶機,

力獨享/獨占設備：這類設備一旦分配給某個實體（用

戶、作業(yè)、任務或進程）使用，在沒被釋放前，其

它實體不得使用。多數(shù)低速設備屬于此類，打印機

就典型的獨享設備。］包世浮堂名以外的所有塊型設備

力共享設備：在一段吁商關渾姿了用戶進程同時訪問

的設備。磁盤就典型的共享設備。

口虛擬設備：通過一定的輔助存儲器和控制程序，可

將一臺獨享設備模擬為共享設備，這個具有了新特

性的設備就稱為虛擬設備。

上5.1」改設備

4）按傳輸速率分類

力低速設備：傳輸速率僅為每秒鐘幾個字節(jié)至數(shù)

百個字節(jié)的設備。典型的有：鍵盤、鼠標、語音

的輸入/輸出等。

力中速設備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)千個字節(jié)至數(shù)

數(shù)萬個字節(jié)的設備。典型的有：打印機等。

力高速設備：傳輸速率僅為每秒鐘數(shù)百千個字節(jié)至

數(shù)十兆字節(jié)的設備。典型的有：磁盤機、磁帶機、

光盤機等。

*54.2設備控制器

■傳統(tǒng)的設備=機械部分+電子部分

■電子部分在系統(tǒng)的控制下驅動機械部分運轉，完成

I/O操作

■由于設備中電子部分比機械部分的速度快得多，為

了降低硬件成本，將電子部分從設備中分離出來作

為一個獨立的部件，這就是控制器。在小型和微型

機中，它常采用印刷電路卡插入計算機中。

■分離之后的設備僅由機械部分構成，一個控制器可

與多個設備相連（因為控制器的速度快于機械部

分），交替地或分時地控制與其相連的設備。例如,

磁盤控制器可以控制多個磁盤驅動器。

?512設備控制器

■設備控制器

＞是處于CPU與I/O設備之間的接口，接可攵CPU發(fā)

來的命令，并控制I/O設備工作，是一個可編址

設備。

A功能：接收和識別命令、實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換、了解

設備狀態(tài)以及識別設備地址。

上5.1.2設備控制器

A設備控制器的組成

O設備控制器與處理機的接口

力設備控制器與設備接口

3/0邏輯

。寄存器：控制寄存器（存放命令及參數(shù)）、數(shù)據(jù)寄

存器（存放數(shù)據(jù)）、狀態(tài)寄存器（記錄設備狀態(tài)）。

1設備控制器的組成

CPU與控制器接口控制器與設備接口

數(shù)據(jù)

狀態(tài)

控制

數(shù)據(jù)

狀態(tài)

控制

返回

5.1.3I/O通道

■引入原因

■根據(jù)信息交換方式的不同，通道可分成以下幾種類型:

A字節(jié)多路通道

A數(shù)組選擇通道

A數(shù)組多路通道

■注：“瓶頸”問題

豈3字節(jié)多：路通道

>1）有'一個主通道。

>2）含有多個子通道A、、C

>3）每子通道通過一控制器與一臺中/低速的I/O設

備相連，可同時并行向主通道傳數(shù)據(jù)。

>4）各子通道以時間片輪轉方式按字節(jié)交叉使用主

通道。

■優(yōu)點：可連多臺中/低速設備；能分時并行操作。

■缺點：傳輸率較低。

案GOOOO

數(shù)組選擇通道

■數(shù)據(jù)傳送是按成組方式進行工作，每次傳輸一批數(shù)

據(jù)。主要用于連接高速I/O設備。

>1）有一個主通道

>2）含有多個子通道A、B、C...

>3）每子通道通過一控制器與一臺中/低速的I/O設

備相連，在一段時間內只能選擇一個子通道程序

執(zhí)行。

■優(yōu)點：可連多臺高速設備；傳輸率較高。

■缺點：某子通道不傳數(shù)據(jù)，而使主通道閑置，其它

子通道也不能傳數(shù)據(jù)。所以通道的利用率很低。

n

數(shù)組多路通道

■數(shù)據(jù)傳送仍是按數(shù)組方式工作。工作原理（結合

兩者：并行十數(shù)組）

>1）有一>個主通道

A2）含有多個子通道A、B、C

a3）每子通道通過一控制器與一臺高/中速的I/O設

備相連，可同時并行向主通道傳數(shù)據(jù)。

>4）各子通道以時間片輪轉方式按數(shù)組方式使用

主通道。

■優(yōu)點：可連多臺高/中速設備；能分時并行操作,

傳輸率較高?？?/p>

lnJ

存儲器

單通路I/O系統(tǒng)

I解天”施頰〃I可題的萬法一多路萬

___

多通路I/O系統(tǒng)

口

上5.1.5I/O系統(tǒng)的結構

磁盤驅動器打印機

CPU存儲器

微型機I/O系統(tǒng)結構一總線型

設

備

主機I/O系統(tǒng)一具有通道

上5.2I/O控制方式

■常用的輸入/輸出控制方式：

［、程序控制方式

2、中斷控制方式

3、一接存儲器訪問DMA方式

4、通道控制方式

返回

上1、程序直接控制方式

■程序控制輸入/輸出方式又稱為狀態(tài)驅動輸入/輸出

方式或應答輸入/輸出方式

■它采用程序查詢的方式直接參與數(shù)據(jù)的輸入/輸出

(注意：程序就是CPU)

■問題：CPU等待每一個操作完成的時候會花費大量

時間“忙于什么也不做”(busydoing

nothing)----CPU大部分時間都處于檢查和等待狀

態(tài)，整個計算系統(tǒng)的效率十分低下。

■呈序控制輸入/輸出方式一以鍵盤為例

1、CPU向鍵盤的控制器發(fā)一條輸入命令，啟動鍵盤進

行輸入操作，并將狀態(tài)寄存器的“忙/閑位”置1,

表示忙。

2、然后CPU運行程序不斷測試狀態(tài)寄存器的完成位，

看鍵盤是否完成了輸入。直到鍵盤已將數(shù)據(jù)輸入到

了鍵盤控制器的數(shù)據(jù)寄存器中，狀態(tài)寄存器的完成

位變?yōu)?時，CPU才停止測試。

3、CPU取走數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)。

■目前IDE接口硬盤仍在使用這種方式，稱為PIO

(ProgrammingInput/Output)模式。

上2、中斷控制方式

1）需數(shù)據(jù)的進程向CPU發(fā)出指令啟動I/O設備輸入

數(shù)據(jù)。

2）該進程放棄處理機，等待輸入完成。

3）輸入完成后，I/O控制器向CPU發(fā)出中斷請求，

CPU收到后，轉向中斷服務程序。中斷服務程序

將輸入寄存器中的數(shù)據(jù)送指定內存單元，并將原

進程喚醒，繼續(xù)執(zhí)行。

4）在以后，該進程再被調度，從內存單元取出數(shù)

據(jù)進行處理。

■斷輸入/輸出方式一以鍵盤輸入為例

(1)開中斷。CPU把啟動位和中斷允許位為1的控制字寫

入鍵盤控制狀態(tài)寄存器中，啟動鍵盤。(當中斷允許位為1時,

中斷程序可以被調用。)

(2)進程等待鍵盤輸入完成(進入等待隊列)，由進程調度

程序調度其他就緒進程使用CPUo

(3)鍵盤啟動后，當數(shù)據(jù)寄存器裝滿后，鍵盤控制器通過

中斷請求線向CPU發(fā)出中斷信號。

(4)CPU暫停正在進行的工作，轉向執(zhí)行中斷處理程序。

(取出數(shù)據(jù)寄存器中的輸入數(shù)據(jù)送到內存特定單元，并將等待輸入完成的

進程喚醒。)

(5)中斷處理程序完畢，CPU返回斷點繼續(xù)執(zhí)行。

(6)以后某個時刻，進程調度程序選中正處于就緒狀態(tài)的

那個進程，該進程從特定內存單元中取出所需的數(shù)據(jù)繼

續(xù)工作。

優(yōu)點：CPU不需等待數(shù)據(jù)傳輸

完成，I/O設備與CPU并行工

作，CPU的利用率因此提高。

缺點：CPU在響應中斷后，還

需要時間來執(zhí)行中斷服務程序。

如果數(shù)據(jù)量大，需要多次執(zhí)行

中斷程序，CPU的效率仍然不

返回

上3、DMA方式

1）需數(shù)據(jù)的進程向CPU發(fā)出指令，向DMA控制器寫入數(shù)

據(jù)存放的內存始址、傳送的字節(jié)數(shù)，并置中斷位和啟動

位，啟動I/O設備輸入數(shù)據(jù)并允許中斷。

2）該進程放棄處理機等待輸入完成，處理機被其它進程

占據(jù)。

3）DMA控制器挪用CPU周期，將一批數(shù)據(jù)寫入內存中。

4）DMA控制器傳送完數(shù)據(jù)后向CPU發(fā)中斷請求，CPU響

應后轉向中斷服務程序喚醒進程，并返回被中斷程序。

5）在以后該進程再被調度，從內存單元取出數(shù)據(jù)進行處

理。

3、DMA方式

■優(yōu)點.一CPU利用率進一步提高（并行度有所提

局）O

■缺點.一數(shù)據(jù)傳送方向、字節(jié)數(shù)、內存地址等需由

CPU控制，且每一設備需一臺DMA控制器，設備

增多時，不經濟。

返回

4、通道控制方式

■通道是一個獨立于CPU的專管輸入/輸出控制的處理

機，它控制設備與內存直接進行數(shù)據(jù)交換。

■通道有自己的一套簡單的指令系統(tǒng)，稱為通道指令。

每條通道指令規(guī)定了設備的一種操作，通道指令序列

便是通道程序，通道執(zhí)行通道程序來完成規(guī)定動作。

■通道靠執(zhí)行通道程序軟件完成數(shù)據(jù)傳輸，通道控制器

的功能比DMA控制器更強大，它能夠承擔外設的大

部分工作。

4、通道控制方式

1）需數(shù)據(jù)的進程向CPU發(fā)出指令，CPU發(fā)出啟動指令指

明I/O操作、設備號和對應的通道。

2）該進程放棄CPU等待輸入完成，CPU被其它進程占據(jù)。

3）通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令后，取出內存中的通

道程序執(zhí)行，控制設備將數(shù)據(jù)傳送到內存指定區(qū)域。

4）傳送完數(shù)據(jù)后，通道向CPU發(fā)中斷請求，CPU響應后

轉向中斷服務程序，喚醒進程，并返回被中斷程序。

5）在以后該進程再被調度，從內存取出數(shù)據(jù)進行處理。

、通道控制方式

■優(yōu)點：一個通道可控制多設備，所需CPU干預更少;

CPU利用率較高（并行度較高）。

■缺點：通道價格較高。

口

?5.3緩沖管理

1、提高處理機與I/O設備的并行工作的技術：

1）數(shù)據(jù)傳送控制方式2）緩沖技術

2、操作系統(tǒng)中，引入緩沖的主要原因

1）緩沖CPU與I/O設備間速度不匹配的矛盾

＞如：計算----打印buffer------打印

2）減少中斷CPU的次數(shù)

?如：buffer越大，“buffer滿”信號發(fā)生頻率越低。

3）提高CPU與I/O設備的并行性

35.3緩沖管理

3、緩沖的兩種實現(xiàn)方法：

1）采用硬件緩沖器實現(xiàn)

2）用軟件緩沖區(qū)來實現(xiàn)

＞緩沖是用來對數(shù)據(jù)傳送速度不同的設備的傳送速

度進行匹配/緩沖的一種常用手段。其實現(xiàn)方法除

在關鍵地方可采用硬件緩沖器外，大都采用軟件

緩沖來實現(xiàn)。軟件緩沖區(qū)是指在I/O操作期間，專

門用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)的一塊存儲區(qū)域。

沖管理

4、緩沖技術的分類

單緩沖雙緩沖

循環(huán)緩沖緩沖池

返回

上單緩沖

■在設備和處理機之間設置一個緩沖。設備與處理機

交換數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需

要數(shù)據(jù)的設備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。

■特點：緩沖區(qū)數(shù)只有一個；設備與處理機對緩沖區(qū)

的操作是串行的。

■圖示

上一塊數(shù)據(jù)的處理時間

工作區(qū)卜%-緩沖區(qū)卜辛

II/O設備

用戶進程C操作系統(tǒng)

■無緩沖區(qū)時，該時間為T+C

■由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行,因此處

理一塊數(shù)據(jù)時間：Max(C,T)+M

返回

J.雙緩沖

■增加一個緩沖區(qū)，兩個緩沖區(qū)可以交替使用

■若用戶進程陣發(fā)性I/O的數(shù)據(jù)超過一個緩沖區(qū)而不足兩個

緩沖區(qū)，雙緩沖使進程不會在I/O數(shù)據(jù)期間被阻塞。

■在設備和處理機之間設置2個緩沖。設備與處理機交換

數(shù)據(jù)時，先把交換的數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，然后需要數(shù)據(jù)的

設備/處理機再從緩沖區(qū)中取走數(shù)據(jù)。因緩沖區(qū)有2個，

提高了設備與處理機并行操作的程度，只有當兩個均為

空時，需數(shù)據(jù)的進程才等待。

■特點：緩沖區(qū)數(shù)有2個；設備與處理機對緩沖區(qū)的操作

可并行，提高了設備與處理機并行操作的程度。

上雙緩沖

雙緩沖示例

雙緩沖圖示

一塊數(shù)據(jù)的處理時間

"簟魚I/O設備

MrT

用戶進程C操作系統(tǒng)

■當C>T:C+M即MAX(C,T)+M

■當C〈T:MAX(C,T)

口

】■循環(huán)緩沖

—I用戶進程至理數(shù)據(jù)的速度較快、外部設備處理

數(shù)據(jù)的速度較慢，或者用戶進程陣發(fā)性輸入/輸出

的數(shù)據(jù)較多時，必須考慮增加緩沖區(qū)的數(shù)量以改

善系統(tǒng)性能，這就是多緩沖區(qū)方式（被組織成循

環(huán)隊列，故稱為循環(huán)緩沖）。

■在設備和處理機之間設置多個大小相等的緩沖區(qū),

這些緩沖區(qū)構成環(huán)形，每一個緩沖區(qū)中含一指針

指向下一個緩沖區(qū)，最后一個指向第一個緩沖區(qū),

同時還含有2個用于輸入/輸出的指針I(yè)N和OUT。

■特點：緩沖區(qū)數(shù)有多個；設備與處理機對緩沖區(qū)

的操作可并行，進一步提高了設備與處理機并行

操作的程度。

上循環(huán)緩沖的組成

類型：

R:空緩沖；G:滿緩沖；C:當前緩沖

1循環(huán)緩沖

■緩沖區(qū)的使用

?Getbuf過程

力計算進程取Nextg對應緩沖區(qū)使用，將Nextg置為

空，Nextg=(Nextg+1)ModN

◎輸入進程取Nexti對應緩沖區(qū)使用，將Nexti置為

滿，Nexti=(Nexti+1)ModN

?Releasebuf過程

◎若C滿，則改為G;

0若C空，則改為R;

土循環(huán)緩沖

■進程同步

aNexti追上Nextg：表示輸入速度）輸出速度，

全部buf滿，這時輸入進程阻塞。

aNextg追上Nexti:輸入速度〈輸出速度，全部

buf空，這時輸出進程阻塞。

口

上緩沖池

■上述三種緩沖區(qū)的組織形式僅適用于某種特定的I/O

進程和計算進程，屬于專用緩沖。

■當系統(tǒng)中的設備很多時，將會有許多這樣的循環(huán)緩

沖區(qū)，消耗大量的內存空間，而且其利用率也不高。

■為了提高緩沖區(qū)的利用率，可以采用公共緩沖池技

術，其中的緩沖區(qū)可為多個設備和進程服務。

上緩沖池

1、緩沖池：將系統(tǒng)內所有的緩沖區(qū)統(tǒng)一管理起來，就形

成了能用于輸入/輸出的緩沖池。緩沖池通常由若干大

小相同的緩沖區(qū)組成，是系統(tǒng)的公用資源，任何進程

都可以申請使用緩沖池中的各個緩沖區(qū)。

2、緩沖池的組成（數(shù)據(jù)結構）

?三個隊列：空緩沖隊列emq、裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列

inq、裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列outq

?四個工作緩沖區(qū)：收容輸入緩沖區(qū)hin、提取輸入

sin、收容輸出hout、提取輸出緩沖區(qū)sout

3、getbuf過程和putbuf過程

ProcedureGetbuf(type)ProcedurePutbuf(type)

beginbegin

wait(rs(type));wait(ms(type));

wait(ms(type));Addbuf(type,number);

B(number):=Takebuf(type);signal(ms(type));

signal(ms(type);signal(rs(type));

endend

、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理一工作方式

緩沖池

收容輸提取輸入用

sin

戶

程

提取輸出收容輸出

southout<序

緩沖區(qū)的工作方式

、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理一工作方式

1)輸入進程需要輸入數(shù)據(jù)時：hin=getbuf(emq);輸

入數(shù)據(jù)；putbuf(inq,hin)

從空緩沖隊列的隊首取一空緩沖區(qū)用作收容輸

入緩沖區(qū)；

>2)輸入設備將數(shù)據(jù)輸入收容輸入緩沖區(qū)并裝滿；

>3)將此緩沖區(qū)掛到裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列隊尾。

、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理一工作方式

2)計算進程需要輸入數(shù)據(jù)時：sin=getbuf(inq);計

算；putbuf(emq,sin)

>1)從裝滿輸入數(shù)據(jù)隊列隊首取一滿緩沖區(qū)用作提

取輸入緩沖區(qū)；

>2)CPU從提取輸入緩沖區(qū)中取出數(shù)據(jù)至用完；

>3)將空緩沖區(qū)掛至1空緩沖隊列隊尾。

、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理一工作方式

3)計算進程需要輸出數(shù)據(jù)時：hout=getbuf(emq);

輸出數(shù)據(jù)；putbuf(outq,hout)

A1)從空緩沖隊列隊首取一空緩沖區(qū)用作收容輸出

緩沖區(qū)；

>2)CPU將數(shù)據(jù)輸入其中并裝滿；

>3)1尋收容輸出緩沖區(qū)掛到裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列隊尾。

上4、操作系統(tǒng)對緩沖池的管理一工作方式

4）輸出進程需要輸出數(shù)據(jù)時：hout=getbuf（outq）;

輸出；putbuf（emq，hout）

A1）從裝滿輸出數(shù)據(jù)隊列隊首取一滿緩沖區(qū)用作

提取輸出緩沖區(qū)；

A2）輸出設備從中取出數(shù)據(jù)至用完；

>3）將空緩沖區(qū)掛到空緩沖隊列隊尾。

5.4設備分配

■包括：對設備、設備控制器、通道的分配

A設備分配中的數(shù)據(jù)結構

A設備分配的策略/應考慮的因素

A設備獨立性

＞設備分配程序

aSPOOLING技術

5.4.1設備分配中的數(shù)據(jù)結構

■系統(tǒng)設備表SDT(systemdevicetable)

■設備控制表DCT(devicecontroltable)

■控制器控制表COCT(controllercontroltable)

■通道控制表CHCT(channelcontroltable)

DCT

設備類型

設備標識符

設備狀態(tài)：忙/閑

COCT指針

設備等待隊列指針

COCTCHCT

控制器標識符通道標識符

控制器狀態(tài)：忙/閑通道狀態(tài)：忙/閑

CHCT指針

通道等待隊列指針

控制器等待隊列指針

5.4.2設備分配策略/應考慮的因素

1、設備的使用性質/固有屬性

A獨享分配、共享分配、虛擬分配

2、設備分配算法

A先請求先服務、優(yōu)先級高者優(yōu)先

3、設備分配的安全性（防止進程死鎖）

4、設備獨立性：是指用戶在編制程序時所用的設備

（邏輯）與實際使用的設備無關

設備分配算法

■先請求先服務

A當有多進程對同一設備提出I/O請求時，系統(tǒng)根

據(jù)這些進程發(fā)出請求的先后次序將它們排成一個

設備請求隊列，設備分配程序總是把設備分配給

隊首的進程。

■優(yōu)先級高者優(yōu)先

A按照進程優(yōu)先級的高低進行分配。即當多進程對

同一設備提出I/O請求時，誰優(yōu)先級高，就將設

備分配給誰。若優(yōu)先級相同，則按先請求先服務

進行分配。

?543設備獨立性

■設備獨立性概念（設備無關性）

A為提高OS的可適應性和可擴展性，而將應用程

序獨立于具體使用的物理設備。

＞邏輯設備

＞物理設備

＞邏輯設備表（LUT）

土543設備獨立性

■設備獨立性的實現(xiàn)

A邏輯設備（應用程序）和物理設備（執(zhí)行）

O設備分配時的靈活性

/邏輯設備和物理設備間可以是多——多的映

射關系。提高了物理設備的共享性，以及使

用的靈活性。如：某邏輯名可對應這一類設

備，提高均衡性與容錯性；幾個邏輯名可對

應某一個設備，提高共享性。

力易于實現(xiàn)I/O重定向

t543設備獨立性

■設備獨立性的實現(xiàn)

＞設備獨立性軟件

力執(zhí)行所有設備的公有操作

力向用戶層（文件層）軟件提供統(tǒng)一的接口

/read、write

土543設備獨立性

■設備獨立性的實現(xiàn)

＞邏輯設備名到物理設備名映射的實現(xiàn)

一邏輯設備表LUT(LoqicalUnitTable)

a分配流程：進程給出邏輯名——通過LUT得到物

理設備及其driver入口。

?LUT設置問題(圖5?18)

由整個系統(tǒng)設置一張LUT;每個用戶設一張LUT

上設備獨立性相關概念

■I/O重定向

A指用于I/O操作的設備可以更換，即重定向，而不

必改變應用程序，只需改變LUT表的映射關系。

■所有設備的公有操作

A獨立設備的分配與回收；將邏輯設備名映射為物

理設備名；對設備進行保護（禁直訪）；緩沖管

理；差錯控制。f

邏輯設備表LUT(LoqicalUnitTable)

邏輯設備名物理設備名驅動程序入口地址

/dev/tty31024

/dev/print52046

■■■■■■■■■

(a)

邏輯設備名系統(tǒng)設備表指針

/dev/tty3

/dev/print5

■■■■■■

(b)

J.544獨占設備的分配程序

■的設備分配程序

＞分配設備

A分配控制器

A分配通道

＞問題（“瓶頸”）

。進程以物理設備名來提出I/O請求

口采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結構

■設備分配程序的改進

＞增加設備的獨立性（進程以邏輯設備名提出I/O請求）

A考慮多通路情況wt

口

分配設備

ASDTADCT

I設:狀態(tài)I

進程插入~~[y

設彳等待隊列1

本次分配的安全性

上分配控制器

物理設備分配

DCT^COCT

控制器狀態(tài)

進程插入

控制器等待隊列

分配控制器

返回

分配通道

控制手分配

COCipCHCT

進程插入

通道等待隊列

分配通道

*返回

ISPOOUNG技術

^jg[SimultaneausPeriphernalOperationsOn-Line)

■脫機輸入、輸出技術

＞為了緩和CPU的高速性與I/O設備的低速性間矛盾

而引入，該技術在外圍控制機的控制下實現(xiàn)低速

的I/O設備與高速的磁盤之間進行數(shù)據(jù)傳送。

■SPOOLING技術

■SPOOLING系統(tǒng)的組成

■SPOOLING系統(tǒng)的特點

SPOOUNG技術

(SimultaneausPeriphernaIOperationsOn-Line)

■SPOOLING技術

在多道程序下，用一程序來模擬外圍控制機，

實現(xiàn)將數(shù)據(jù)從磁盤傳送到低速的輸出設備上，從而

可在主機的直接控制下，實現(xiàn)脫機輸入、輸出功能,

進而實現(xiàn)外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)處理的并行操作，

這種在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為

SPOOLING技術，是對脫機輸入、輸出工作的模

擬，是操作系統(tǒng)中采用的一項將獨占設備改造成為

共享設備的技術。

上SPOOLING系統(tǒng)的組成

內存

組成：

1、輸入井、輸出井2、輸入緩沖區(qū)、輸出緩沖區(qū)

3、輸入進程、輸出進程4、請求打印隊列

上SPOOLING系統(tǒng)的組成

1.輸入井和輸出井：

>在磁盤上開辟的2個大存儲空間，模擬輸入和輸出

設備。

2.輸入buf和輸出buf（內存中）

>輸入設咯----輸入buf輸入井----用戶區(qū)（1）

?用戶區(qū)——輸出井——輸出buf——設備（2）

3.輸入SPi和輸出SPo進程。

?分別控制（1）,（2）的動作。

>SPi相當于脫機輸入控制器。

>SPo相當于脫機輸出控制器。

SPOOLING舉例

⑴輸入

＞a.進程n請求一＞SPi為n在輸入井中分配空間一＞設

備數(shù)據(jù)由輸入buf送輸入井一＞生成輸入請求表掛輸

入請求隊列。

ab.CPU空一＞取請求表中的任務，送進程緩沖區(qū)。

⑵輸出：（打印）

＞a.進程n請求一＞SPo為n在輸出井中分配空間一＞將

數(shù)據(jù)由進程buf轉到輸出井一＞生成一打印請求表掛

打印請求隊列。

＞b.打印機空一＞查打印請求表中的任務一＞取輸出井

中對于數(shù)據(jù)一＞輸出buf—＞打印

工SPOOLING系統(tǒng)的特點

■提高了I/O速度（對低速設備操作變?yōu)閷斎?輸出井

操作）

■將獨占設備改造為共享設備（分配設備的實質時分配

輸入/輸出井）

■實現(xiàn)了虛擬設備功能

虛擬設備實現(xiàn)了對獨占設備的改造，而虛擬分配使進程對獨占

設備的使用與物理設備分離，使進程與I/O設備之間的同步I/O

方式轉變?yōu)楫惒絀/O方式，提高了進程的并發(fā)度和執(zhí)行效率。顯

然，虛擬分配方式在邏輯上改造了設備特性，提高了設備的利

用率，同時也提高了進程的執(zhí)行效率。其所付出的代價是外存

空間的開銷，是操作系統(tǒng)利用空間換取時間的一個典型范例。

上SPOOLING技術

■在操作系統(tǒng)中，引入虛擬設備的原因

＞引入虛擬設備是為了克服獨占設備速度較慢、降

低設備資源利用率的缺點，從而提高設備的利用

率。

■虛擬設備

＞是指通過虛擬技術將一臺獨占設備變換為若干臺

邏輯設備，供若干個用戶進程使用，通常把這種

經過虛擬技術處理后的設備稱為虛擬設備。

口

?5.5設備處理

■設備驅動程序的功能和特點

A設備驅動程序的功能

A設備處理方式

A設備驅動程序的特點

■設備驅動程序的處理過程

■中斷處理程序的處理過程

i設備驅動程序的功能

■將接收到的抽象要求轉換為具體要求。

■檢查用戶I/O請求的合法性、I/O設備狀態(tài)、傳參數(shù)、

設置設備的工作方式。

■按處理機的I/O請求去啟動指定的設備進行I/O操作。

■及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并進行

相應處理。

■按I/O請求構成相應通道程序。

上設備處理方式

■為每一類設備設置一進程，專門執(zhí)行其I/O操作。

■在整個系統(tǒng)中設置一個進程，執(zhí)行所有的I/O操作。

■不設置專門的設備處理進程，而為各類設備設置

相應的設備驅動程序。

設備驅動程序的特點

■是請求I/O的進程與設備控制器之間的一個通信程序

■與I/O設備的特性緊密相關

■與I/O控制方式緊密相關

■與硬件緊密相關，因而其中一部分程序必須用匯編語

言編寫

設備驅動程序的的處理過程

■將接收到的抽象要求轉換為具體要求

■檢查用戶I/O請求的合法性

■讀出和檢查I/O設備狀態(tài)

■傳送必要參數(shù)

■設置設備的工作方式

■按處理機的I/O請求去啟動指定的設備進行I/O操作

上中斷處理程序的處理過程

■喚醒被阻塞的驅動程序進程

■保護被中斷進程的CPU環(huán)境

■分析中斷原因、轉入相應的設備中斷處理程序

■進行中斷處理

■恢復被中斷進程的現(xiàn)場

返回

5^6磁盤存儲器

■提高磁盤I/O速度的主要途徑:

>(1)選擇性能好的磁盤

>(2)采用好的磁盤調度算法

>(3)設置磁盤高速緩存(DiskCache)

>(4)其它方法

>(5)采用高度可靠、快速的容量磁盤系統(tǒng)一■糜

價磁盤冗余陣列

上1、磁盤性能

■磁盤性能簡述

＞數(shù)據(jù)的組織

◎磁盤結構、磁道、柱面、扇區(qū)、磁盤格式化

力磁盤物理塊的地址：柱面號磁頭號扇區(qū)號

A磁盤類型（固定頭磁盤、移動頭磁盤）

1、磁盤性能

■訪問時間

A尋道時間：將磁頭從當前位置移到指定磁道所經歷的

時間Ts=m*n+s

A旋轉延遲時間：指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經歷的時

間。設每秒r轉，貝仃r=1/2r（均值）

?傳輸時間：將扇區(qū)上的數(shù)據(jù)從磁盤讀出/向磁盤寫入

數(shù)據(jù)所經歷的時間Tt=b/rN。其中b:讀寫字節(jié)數(shù)，

N:每道上的字節(jié)數(shù)。

■在訪問時間中，Ts和Tr基本上與所讀/寫數(shù)據(jù)的多少無關,

且通常占據(jù)了訪問時間中的大頭。故，適當?shù)丶袛?shù)據(jù)

傳輸，將有利于提高傳輸效率。

上信息分布優(yōu)化

■例：信息在存儲空間的排列方式也會影物理邏輯

塊記錄

響存取等待時間?？紤]10個邏輯記錄A,

1A

B……，J被存于旋轉型設備上，每道存2B

放10個記錄，安排如右圖示。假定要經3C

常順序處理這些記錄，而旋轉速度為204D

5E

毫秒，處理程序讀出每個記錄后花4毫

6F

秒進行處理。請計算依次讀出這10個

7G

記錄總共需花多長時間？如何優(yōu)化最合8H

適？9I

10J

■Ji------------------------------

■解：由于旋轉速度為20毫秒，且每道10條記錄，

故讀取每條記錄的時間為2毫秒。

＞又因為讀出并處理記錄A之后（4ms）將轉到記錄

D的開始。所以，為了讀出B,必須再轉一周。

A于是，處理10個記錄的總時間為：10毫秒（移動

到記錄A的平均時間）+2毫秒（讀記錄A）+4毫秒

（處理記錄A）+9x[16毫秒（訪問下一記錄）+2毫

秒（讀記錄）+4毫秒（處理記錄）]=214毫秒

物理邏輯

■按右圖方案優(yōu)化各記錄的位置。當塊記錄

讀出記錄A并處理結束后，恰巧轉1A

至記錄B的位置，立即就可讀出并2H

處理。按照這一方案，處理10個記3E

錄的總時間為：10毫秒（移動到記4B

錄A的平均時間）+10*[2毫秒（讀5I

記錄）+4毫秒（處理記錄）]=70毫6F

秒7C

■比原方案速度幾乎快3倍，如果有8J

眾多記錄需要處理，節(jié)省時間更可9G

D

觀了。10

磁盤結構

?區(qū)iu?區(qū)n5IW

42、磁盤調度算法

■對于用來保存文件的磁盤等設備而言,同一l時刻可

能會有許多來自系統(tǒng)和應用程序的訪問請求，每個

請求讀或寫一塊。按什么次序為這些訪問請求服務

是輸入/輸出調度所應解決的問題，而用來確定服務

次序的算法稱為輸入/輸出調度算法。

■設計輸入/輸出調度算法應考慮兩個基本因素

A公平性：一個I/O請求應當在有限時間內得到滿足

A高效性：減少設備機械運動帶來的時間開銷

老盤2調、度磁算盤法調度算法

A早期的磁盤調度算法

■先來先月艮務FCFS

由最短尋道時間優(yōu)先SSTF

＞掃描算法

力掃描(SCAN)/電梯(LOOK)算法

力循環(huán)掃描(CSCAN)算法

力**N?STEP?SCAN調度算法

a**FSCAN調度算法

例：假設一個請求序列：98、183、37、122、

14、124、65、67,磁頭當前的位置在53。

FCFS先來先服務

按進程請求訪問磁盤的先后次序進行調度下磁道移道數(shù)

9845

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat5318385

O14

II375365679812212418319937146

iiIIiII

12285

14108

124110

6559

672

總道數(shù)640

平均80

tFCFS先來先服務性能評價

■磁頭引臂橫向移動的速度很慢，若按照請求發(fā)出

的次序依次讀/寫各個磁盤塊，則磁頭引臂在內磁

道和外磁道之間頻繁地移動，造成較大的時間開

銷，影響效率。

■這種算法通?？捎糜谳斎?輸出負載較輕的系統(tǒng)。

最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)

選擇從當前磁頭位置所需尋道時間最短的請求。下磁道移道數(shù)

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53672

O4

3753656798122124183199

iII3730

1423

9884

12224

1242

18359

總道數(shù)236

平均29.5

■從此例可看出，按照上述服務次序，磁頭引臂的

機械運動明顯減少，所需時間大幅度降低。

■存在的缺點：假設某一時刻外磁道請求不斷，則

內磁道請求可能長時間得不到滿足，這種現(xiàn)象稱

為“磁道歧視”。因此，本算法缺乏公平性，存

在饑餓和餓死的問題。

上掃描算法（SCAN）

■Scan算法往復掃描各個柱面（磁道）并為途經柱

面（磁道）的請求服務。

■起始時磁頭處于最外柱面，并向內柱面移動。在移

動的過程中，如果途經的柱面有訪問請求，則為其

服務，如此一直移動到最內柱面，然后改變方向由

內柱面向外柱面移動，并以相同的方式為途經的請

求服務。

■Scan算法每次都掃描到柱面的盡頭，無論最內

（最外）柱面處是否有訪問請求。

3描算法（SCAN）

下磁道移道數(shù)

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

672

headstartsat53

9831

12224

1242

18359

19916

37162

1423

假定：磁頭向磁道號增加的方向移動。

總道數(shù)331

平均41.4

Look算法（電梯算法）

■Look算法也稱電梯算法，因其基本思想與電梯的

工作原理相似而得名。

■無訪問請求時，磁頭引臂停止不動；當有訪問請求

時，起始時磁頭由最外柱面向內柱面移動，并為途

經的請求服務。一旦內柱面沒有訪問請求，則改變

移動方向（如外柱面有請求）或停止移動（外柱面

也無請求）。

算法（電梯算法）

Look下磁道移道數(shù)

6512

queue=98,183,37,122,14,124,65,67

headstartsat53672

9831

12224

1242

18359

37146

1423

假定：磁頭向磁道號增加的方向移動。總道數(shù)299

平均37.4

上SCAN/LOOK算法評價

■對于SCAN（LOOK）算法來說，位于不同磁道（柱

面）的I/O請求與獲取服務所需的等待時間是不同

的。

■對于靠近邊緣的柱面，最壞情況的移動量為2N?1

（N為柱面數(shù)）;對于靠近中部的柱面，最壞情況

為平均情況分別約為N和N/2。

上循環(huán)掃描算法(CircularSCAN/LOOK)

■是為了消除邊緣柱面與中部柱面等待時間差異而

進行的改進。

■磁頭只在單方向移動過程中才為途經的請求服務,

一旦達到邊緣，則立即快速移動至另一邊緣，在此

移動過程中并不處理訪問請求，然后重新開始新一

輪掃描。

循環(huán)掃描算法(CSCAN)

下磁道移道數(shù)

queue=98,183,37,122,14,124,65,676512

headstartsat53

o.4672

13753656798122124183199

iilliIIII9831

12224

1242

18359

14169

3723

總道數(shù)322

平均40.3

特點：消除了對兩端磁道請求的不公平。

N?STEP?SCAN調度算法

■SSTF、SCAN及CSCAN存在的問題“■磁臂粘著

在SSTF、SCAN及CSCAN幾種調度算法中，可能

出現(xiàn)磁臂停留在某處的情況，即反復請求某一磁道，從

而壟斷了整個磁盤設備，這種現(xiàn)象稱為磁臂粘著。

■N?STEP-SCAN調度算法

將磁盤請求隊列分成若干個長度為N的子隊列，磁

盤調度將按FCFS算法依次處理這些子隊列，而每一子

隊列按SCAN算法處理。

N=1FCFS算法

N彳艮大SCAN算法

N取半長度FSCAN算法

心理置磁盤高速緩存(DiskCache)

目前，由于磁盤的I/O速度遠低內存的訪問速度,

而致使磁盤的I/O成為計算機系統(tǒng)的瓶頸。為提高

磁盤的I/O速度，便采用磁盤高速緩存。

力磁盤高速緩存的形式

0數(shù)據(jù)交付方式

◎置換算法

由周期性地寫回磁盤

（1）磁盤高速緩存的形式

■磁盤高速緩存

A是指內存中的一部分存儲空間，用來暫存從磁盤

讀出的一系列盤塊中的信息，所以它是一組在邏

輯上屬于磁盤，而物理上是駐留在內存中的盤塊

■磁盤高速緩存的形式

力內存中單獨的存儲空間（大小固定）

力未利用的存儲空間_緩沖池（大小不固定）

(2)數(shù)據(jù)交付方式

■數(shù)據(jù)交付方式

＞是指磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)傳送給請求者進程。

系統(tǒng)采取兩種方式，將數(shù)據(jù)交付給請求進程：

力數(shù)據(jù)交付：系統(tǒng)直接將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)

傳送到請求者進程的內存工作區(qū)。

力指針交付：只將指向磁盤高速緩存中該數(shù)據(jù)的

指針，交付給請求者進程。

(3)置換算法

將磁盤中的盤塊讀入到磁盤高速緩存中時,若因磁盤

高速緩存已滿，則采用常用的算法進行置換：

＞最近最久未使用算法LRU

＞最近未使用算法NRU

＞最少使用算法LFU

■置換時除算法外還應考慮的問題

＞訪問頻率

＞可預見性

＞數(shù)據(jù)的一致性■一解決方法將系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)拉

成一條LRU鏈，對將會嚴重影響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)

據(jù)和很久都可能不再使用的盤塊數(shù)據(jù)放在LRU頭部，

到時優(yōu)先寫回磁盤。

上(4)周期性地寫回磁盤

■系統(tǒng)中所有盤塊數(shù)據(jù)拉成一條LRU鏈，對會嚴重影

響到數(shù)據(jù)一致性的數(shù)據(jù)和很久都可能不再使用的盤

塊數(shù)據(jù)，放在LRU頭部，到時才優(yōu)先寫回磁盤。若

經常訪問的數(shù)據(jù)一直保留磁盤高速緩存中，長期不

會被寫回磁盤，若系統(tǒng)出故障，則存在磁盤高速緩

存中的數(shù)據(jù)將丟失。

■問題解決

?周期性地將磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)寫回磁盤

A磁盤高速緩存中的數(shù)據(jù)若修改，則立即寫回磁盤

?H

、提高磁盤I/O速度的其它方法

■提前讀（Read_Ahead）：由于用戶對文件的訪問常用

順序方式，在讀當前塊時，可預知下一次要讀的盤塊,

所以，可采用預先讀方式，即在讀當前塊的同時，連同

將下一塊提前讀入緩沖。當訪問下一塊數(shù)據(jù)時，其已在

緩沖中，而不需去啟動磁盤I/O。

■延遲寫：在緩存中的數(shù)據(jù)，本應立即寫回磁盤，考慮不

久之后可能會再用，故不立即寫回磁盤。

■優(yōu)化物理塊的分布：使磁頭移動的距離最?。▋?yōu)化物理

塊的分布、優(yōu)化索引結點的分布）。

■虛擬盤：利用內存去仿真磁盤，又稱為RAM盤。（與

磁盤高速緩存的區(qū)別：RAM盤中的內容由用戶控制，

而緩存中的內容則由OS控制）

返回

15、廉價磁盤冗余陣列(RAID)

■RAID(RedundantArrayofIndependent/

InexpensiveDisks)：獨立或廉價磁盤冗余陣列

■“獨立”是目前通用的一個行業(yè)術語，強調

RAID陣列的重要性和可靠性

■“廉價”是較早使用的一個術語，重在強調RAID

磁盤陣列中采用的相對較小的、價格較便宜的磁

盤。

上5、廉價磁盤冗余陣列(RAID)

■1987年由美國加利福尼來大學伯萊分校提出，

1988年問世，即利用一臺磁盤陣列控制器，來

統(tǒng)一管理和控制一組磁盤驅動器，組成一個高

度可靠的、快速的大容量磁盤系統(tǒng)。

口并行交叉存取

口RAID的分級

◎RAID的優(yōu)點

*(1)并行交叉存取

■為提高磁盤的訪問速度而在大、中型機中采用的交

叉存取