计算机操作系统之设备管理.ppt

1、第五章,设备管理,2007年1月,内容,（1）I/O组成； （2）I/O控制； 指I/O完成的方法。 （3）I/O缓冲； （4）I/O分配； （5）I/O处理。 指具体I/O命令的完成过程。,2007年1月,5.1 I/O系统,5.1.1 I/O设备 一、类型 （1）按速度分： 低：键盘 中：打印机 高：磁盘。 （2）按信息交换单位分： 块：磁盘,可定位 字符：打印机、串口,2007年1月,5.1 I/O系统,5.1.1 I/O设备 一、类型 （3）按设备的共享属性分： 独占：如临界资源 共享：磁盘 虚拟：如本身因有属性为独占，但将其虚拟为几个逻辑设备。,2007年1月,二、设备与控制器之间的

2、接口,CPU控制器设备 三种信号： （1）数据信号：双向，有缓存 （2）控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作 （3）状态信号：设备发给控制器，后者“显示”；,2007年1月,5.1.2 设备控制器,一、功能：接收CPU命令，控制I/O设备工作，解放CPU. 1.接收和识别命令。 应有相应的Register来存放命令（“命令寄存器”） 2.数据交换 CPU控制器的数据寄存器设备 3.设备状态的了解和报告 设备控制器中应用“状态寄存器” 4.地址识别 CPU通过“地址”与设备通信，设备控制器应能识别它所控制的设备地址以及其各寄存器的地址。,2007年1月,5.1.3 I/O通道,二、类型

3、1.字节多路通道： 各子通道以时间片轮转方式共享通道，适用于低、中速设备。 2.数组选择通道： 无子通道，仅一主通道，某时间由某设备独占，适于高速设备。 但通道未共享，利用率低。 3.数组多路通道： 在图5-3中，多子通道不是以时间片方式，而是“按需分配”，综合了前面2种通道类型的优点。,2007年1月,5.1.3 I/O通道,三、通道“瓶颈”问题： 解决：采用复联方式,2007年1月,5.1.4 总线系统,微机I/O系统,设备控制器：与设备是一对多的关系，系统是通过它与设备通信 系统设备控制器 设备 如：磁盘设备，打印设备 缺点：总线瓶颈，CPU瓶颈。,2007年1月,5.1.4 总线系统,

4、二、主机I/O系统（四级结构） 计算机I/O通道I/O控制器设备 I/O通道相当于对总线的扩展，即多总线方式，且通道有一定的智能性，能与CPU并行，解决其负担。 ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI,2007年1月,5.2 I/O控制方式,四个阶段： 程序I/O中断I/ODMA控制通道控制。 趋势：提高并行度。,2007年1月,5.2.1 程序I/O（忙等待方式）,查询方式：CPU需花代价不断查询I/O状态（图5-7a） CPU资源浪费极大。 例：99.9ms+0.1ms=100ms 在5.2.1中99.9在忙等,2007年1月,5.2.2 中断I/O,向I/O发命令返回执行其

5、它任务。 I/O中断产生CPU转相应中断处理程序。 如：读数据，读完后以中断方式通知CPU，CPU完成数据从I/O内存,2007年1月,5.2.3 DMA方式用于块设备中,一、引入 中断I/O，CPU“字节”干预一次，即每“字节”传送产生一次中断。 DMA：由DMA控制器直接控制总线传递数据块。DMA控制器完成从I/O内存。 图5.7c 二、组成 一组寄存器+控制逻辑。图5.8 CR（命令/状态）; DR（数据）; MAR（内存地址）; DC（计数） DMA工作过程（例）：,2007年1月,Direct Memory Access,2007年1月,DMA,2007年1月,DMA,2007年1月

6、,DMA,2007年1月,5.2.4 I/O通道控制方式,DMA方式：对需多离散块的读取仍需要多次中断。 通道方式：CPU只需给出 （1）通道程序首址。 （2）要访问I/O设备 后，通道程序就可完成一组块操作,2007年1月,5.3 缓冲管理,目的：组织管理、分配、释放buffer 5.3.1 引入 1.缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾。 如：计算打印buffer打印 2.减少对CPU的中断频率 如：buffer越大，“buffer满”信号发生频率越低。 3.提高CPU和I/O并行性,2007年1月,5.3 缓冲管理,5.3.2 单缓冲,由于C和T可并行，M和C或M和T不能并行，因此处

7、理一块数据时间：Max(C,T)+M 用户进程何时阻塞？,2007年1月,5.3 缓冲管理,5.3.2双缓冲,效率有所提高，且进一步平滑了传输峰值。 系统处理一块数据的时间约为：MAX(C,T) 收发可双向同时传送。（图513）,2007年1月,5.3 缓冲管理,5.3.3 循环多缓冲,类型： R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲,2007年1月,循环多缓冲的使用,nextg：指示下一个应取数据的buf nexti：指示下一个空buf. Getbuf： 取nextg对应缓冲区提供使用，将Nextg置为空，Nextg=（Nextg+1）Mod N 将Nexti对应缓冲区提供使用，将Nexti置为

8、满，Nexti=（Nexti+1）Mod N Releasebuf: 若C满，则改为G； 若C空，则改为R；,2007年1月,循环多缓冲的同步问题,Nexti 追上Nextg： 表示输入速度输出速度，全部buf满，这时输入进程阻塞 Nextg追上Nexti： 输入速度输出速度，全部buf空，这时输出进程阻塞。,2007年1月,5.3.4 缓冲池,缓冲池：系统提供的公用缓冲 一、组成： 3个队列： 空缓冲队列emq 输入队列inq 输出队列outq 四个工作缓冲区： hin：收容输入数据 sin：提取输入数据 hout：收容输出数据 sout：提取输出数据,2007年1月,二、4种工作方式,1.

9、收容输入；2.提取输入 3.收容输出；4.提取输出,2007年1月,5.3 缓冲管理,1.hin=getbuf(emq); putbuf(inq,hin) 2.sin=getbuf(inq);计算； putbuf(emq,sin) 3.hout=getbuf(emq); putbuf(outq, hout) 4.sout=getbuf(outq);输出；putbuf(emq,sout),2007年1月,三、Getbuf和Putbuf过程,Getbuf(type) Begin wait(RS(type); wait(MS(type); B(number):=takebuf(type); sign

10、al(MS(type); end,Putbuf(type) Begin wait(MS(type); addbuf(type,number); signal(MS(type); signal(RS(type); end,2007年1月,5.4 设备分配,包括：对设备、设备控制器、通道的分配 5.4.1 数据结构 一、设备控制表DCT： 二、控制器控制表（COCT），通道表（CHCT），系统设备表（SDT），图5-17 SDT:记录了系统中全部设备及其驱动程序地址。,2007年1月,设备控制表DCT,2007年1月,5.4.2 设备分配应考虑的若干因素,一、设备的固有属性： 共享+虚拟：注意调度

11、的合理性； 独享：排它性分配，控制不好可能死锁。 二、分配算法： （1）FIFO； （2）优先权。,2007年1月,5.4.2 设备分配应考虑的若干因素,三、安全性： 安全分配(同步)：每进程获得一I/O后，即block，直到其I/O完成。 即打破了死锁条件。 缺点：CPU、I/O对该进程是串行，进程进展缓慢。 不安全分配（异步）：需进行安全性检查，进程执行效率高。,2007年1月,5.4.3 设备独立性,一、概念： 即设备无关性，指应用程序独立于具体使用的物理设备。 逻辑设备 物理设备 逻辑设备表（LUT）：,2007年1月,5.4.3 设备独立性,分配流程：进程给出逻辑名通过LUT得到物理

12、设备及其driver入口。 优点： 设备分配更灵活； 逻辑设备和物理设备间可以是多多的映射关系。提高了物理设备的共享性，以及使用的灵活性。如： 某逻辑名可对应这一类设备，提高均衡性与容错性。 几个逻辑名可对应某一个设备，提高共享性。,2007年1月,5.4.3 设备独立性,易于实现I/O重定向。 不变程序，只需改变LUT表的映射关系。 二、设备独立性软件 执行所有设备的公有操作 分配回收 名字映射 保护 缓冲 差错控制 向用户层软件提供统一接口 read、write,Struct general_op int (*read)() int (*write)() ;,driver1: Struct

13、 general_op dev_op= dev1_read, dev1_write ; driver2: Struct general_op dev_op= dev2_read, dev2_write ; Gen_read(fd,) dev_op=map(fd); dev_op-read(); ,2007年1月,5.4.3 设备独立性,三.名字映射 LUT的生成 在用户进程第一次请求设备时完成映射并在LUT中生成相应项 LUT的配置 （1）整个系统一张LUT表： 要求：逻辑名不重复，（一般用于单用户系统） （2）每个用户一张LUT表。 可重名/可限制用户对某些设备的使用。,2007年1月,5.

14、4.4 独占设备分配程序,进程n请求设备：,begin search (sdt, phdevice) if not busy (phdevice) then begin compute(safe)对独占设备 if safe then alloc (n, phdevice); else begin insert (DL(phdevice), n);-将n插入设备等待队列DL上 return end; end;,2007年1月,设备忙else begin; insert (DL (phdevice), n); return; end; controllerid=controllerid (COCT

15、 ptr(dct); device分配成功 if not busy (COCT (controllerid) then alloc (n, controllerid); else begin insert (col, n); return; end; channeled=channeled(chatptr (controllerid); 控制器分配成功,2007年1月,if not busy (chct (channelid) then allocation (n, channelid); else begin insert (chl, n) return; end; end; 优化： 1）增

16、加设备的独立性 2）考虑多通路情况,2007年1月,5.4.5 SPOOLING技术,1概念 假脱机技术，在联机情况下同时出现外围操作 作用：通过缓冲方式，将独占设备改造为共享设备,2007年1月,2、spooling组成,1.输入和输出： 在磁盘上开辟的2个大存储空间，模拟输入和输出设备。 2.输入buf和输出buf（内存中） 输入设备输入buf输入#用户区（1） 用户区输出#输出buf设备（2） 3.输入Spi和输出SPo进程。 分别控制（1），（2）的动作。 SPi相当于脱机输入控制器。 SPo相当于脱机输出控制器。,2007年1月,3例,(1)输入 a.进程n请求 SPi为n在输入中分

17、配空间设备数据由输入buf送输入#生成输入请求表挂输入请求队列。 b.CPU空取请求表中的任务,送进程缓冲区。 （2）输出：（打印） a.进程n请求SPo为n在输出#中分配空间将数据由进程buf转到输出#生成一打印请求表挂打印请求队列。 b.打印机空查打印请求表中的任务 取输出中对于数据输出buf 打印,2007年1月,4特点,1.提高I/O速度： 对低速设备操作变为对输入/出#操作。 2.将独占设备改造为共享设备 分配设备的实质时分配输入/出# 3.实现了虚拟设备功能,2007年1月,5.5设备处理,设备处理程序即是设备驱动程序。 设备驱动程序的功能和特点 设备驱动程序的处理过程,2007年

18、1月,设备驱动程序的功能和特点,功能： 接收进程的I/O命令 检查命令合法性 检查设备状态 设置设备工作方式 驱动I/O操作 响应设备中断 构成通道程序,2007年1月,设备驱动程序的功能和特点,特点： 和硬件紧密相关、各个设备有自己的设备驱动,2007年1月,5.5.2设备驱动程序处理过程,包括 启动过程 中断处理过程 启动过程 将抽象要求转化为具体要求 检查I/O请求合法性 读出和检查设备状态 传送必要的参数 设置工作方式 启动I/O设备,2007年1月,5.5.3中断处理程序,流程 设备启动I/O完成发送中断CPU调用中断处理过程 中断处理过程 唤醒被阻塞的驱动程序进程 保护被中断进程环

19、境 转入相应的设备处理程序 中断处理(特性) 恢复被中断进程的现场,2007年1月,5.6磁盘存储器管理,5.6.1 磁盘性能简述 一、数据组织和格式（图522） 磁道扇区字节 二、类型 1.固定头磁盘： 每个磁道上有一个磁头，快 2.移动头磁盘： 每个盘面仅有一个磁头，慢,2007年1月,5.6.1 磁盘性能简述,三、磁盘访问时间： 1.寻道时间：TS=m*n+S m：常量，n：磁道数，s：磁盘启动时间。 2.旋转延时间Tr： 指定扇区旋转到磁头下所需时间。 设每秒r转，则Tr1/2r（均值） 3.数据传输时间Ttb/rN b：读写字节数 N：每道上的字节数 访问时间：Ta=Ts+1/2r+

20、b/rN 可见，由于特定磁盘，只有集中放数据，集中读写（b大）才能更好提高传输效率。,2007年1月,例子,寻道时间: 20ms 磁盘通道传输速率: 1MB/s 转速r=3600rpm 每扇区512字节 每磁道32 扇区 目标：读 128k 数据,2007年1月,时间比较,60*16k=960k1MB/s 顺序组织 (208.316.7)(8.316.7)7220(ms) 随机组织 (208.30.5)2567373(ms),2007年1月,5.6.2 磁盘调度,目标：减少寻道时间 一、FCFS（Fisrt Come First Second） 特点：简单，寻道时间长，相当于随机访问模式。 二

21、、SSTF（最短寻道优先） 三、扫描算法。 1.进程“饥饿现象” SSTF存在。 2.SCAN算法： 在移动方向固定的情况下采用了SSTF，以避免饥饿现象,FCFS调度算法 SSTF调度算法,2007年1月,5.6.2 磁盘调度,四、循环扫描CSCAN（图9-5） 一个方向读完，不是象SCAN那样回头，而是循环。 访问时间：2TT+Smax 五、NStepSCAN和FSCAN算法。 1. NStepSCAN 粘臂：由于连续对某磁道访问引起的垄断访问，将磁盘请求队列分为长为N的子队列m个，如下图处理。当N=1时，为FCFS。当N时，为SCAN.,2007年1月,5.6.2 磁盘调度,2.FSCAN,SCAN调度算法 CSCAN调度算法,2007年1月,5.6.3 磁盘高速缓存,形式 逻辑上是磁盘、物理上是驻留在内存中的盘块 固定大小和可变大小 数据交付方式 数据交付指将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程 步骤：先查缓存、后查磁盘并更新缓存 方式： 数据交付 指针交付,2007年1月,5.6.3 磁盘高速缓存,置换算法 最近最久 访问频率 可预见性 数据一致性：将需要一致性的块放在替换队列的头部，优先回写。 周期性回写磁盘 例：msdos采用写穿透方式