计算机外部设备管理

1、.第第4 4章章 设备管理设备管理 .n 在此，在此，“设备设备”泛指计算机系统中泛指计算机系统中的外部设备，即除主机以外的其他所有的外部设备，即除主机以外的其他所有设备。设备。 .n 本章着重讲述四个方面的内容：本章着重讲述四个方面的内容：n（1 1）完成一个）完成一个I/OI/O请求的步骤；请求的步骤；n（2 2）如何管理和分配系统中的设备；）如何管理和分配系统中的设备；n（3 3）数据传输的各种控制方式；）数据传输的各种控制方式；n（4 4）设备管理中常用的若干技术。）设备管理中常用的若干技术。.4.1 4.1 概概 述述n4.1.1 计算机设备的分类计算机设备的分类 n 可以从不同的角

2、度对外部设备进行分可以从不同的角度对外部设备进行分类。类。.n（1 1）基于设备的从属关系，可以把系统）基于设备的从属关系，可以把系统中的设备分为系统设备与用户设备两类。中的设备分为系统设备与用户设备两类。n 系统设备系统设备 n 用户设备用户设备 .n（2 2）基于设备的分配特性，可以把系统）基于设备的分配特性，可以把系统中的设备分为独享设备、共享设备和虚中的设备分为独享设备、共享设备和虚拟设备三类。拟设备三类。n 独享设备独享设备 n 共享设备共享设备 n 虚拟设备虚拟设备 .n（3 3）基于设备的工作特性，可以把系统）基于设备的工作特性，可以把系统中的设备分为输入中的设备分为输入/ /输

3、出设备和存储设备输出设备和存储设备两类。两类。n 输入输入/ /输出设备输出设备 n 存储设备存储设备 .n 磁带是一种严格按照信息存放物理磁带是一种严格按照信息存放物理顺序进行定位与存取的存储设备。顺序进行定位与存取的存储设备。 .n 磁带机的启停必须要考虑到物理上磁带机的启停必须要考虑到物理上惯性的作用，当启动读磁带上的下一个惯性的作用，当启动读磁带上的下一个记录时，必须经过一段时间，才能使磁记录时，必须经过一段时间，才能使磁带从静止加速到额定速度；从读完一个带从静止加速到额定速度；从读完一个记录后，到真正停下来，又要滑过一小记录后，到真正停下来，又要滑过一小段距离。段距离。.n 因此，磁

4、带上每个记录之间要安排因此，磁带上每个记录之间要安排有所谓的有所谓的“记录间隙（记录间隙（IRGIRG）”存在存在 。. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 图图4-1 4-1 记录与记录间隙（记录与记录间隙（IRGIRG）.n 磁带写时，是在缓冲区中把若干个磁带写时，是在缓冲区中把若干个记录拼装成一块，然后写出，这个过程记录拼装成一块，然后写出，这个过程被称为被称为“记录的成组记录的成组”；磁带读时，是；磁带读时，是先把一块读到内存缓冲区，然后从中挑先把一块读到内存缓冲区，然后从中挑选出所需要的记录，这个过程被称为选出所需要的记录，这个过程被称为“记录的

5、分解记录的分解”。.n 磁盘的特点是存储容量大，存取速磁盘的特点是存储容量大，存取速度快，并且能够顺序或随机存取。操作度快，并且能够顺序或随机存取。操作系统中的很多实现技术（比如存储管理系统中的很多实现技术（比如存储管理中的虚拟存储，本章将要介绍的虚拟设中的虚拟存储，本章将要介绍的虚拟设备等），都是以磁盘作为后援的。备等），都是以磁盘作为后援的。.n 因此，它越来越成为现代计算机系因此，它越来越成为现代计算机系统中一个不可缺少的重要组成部分。统中一个不可缺少的重要组成部分。. 图图4-2 4-2 磁盘结构示意图磁盘结构示意图.n4.1.2 4.1.2 设备管理的目标与功能设备管理的目标与功能n

6、1 1设备管理的目标设备管理的目标n 操作系统设备管理的目标之一是提操作系统设备管理的目标之一是提高外部设备的利用率。高外部设备的利用率。 n .n 操作系统设备管理的目标之二是为操作系统设备管理的目标之二是为用户提供便利、统一的使用界面。用户提供便利、统一的使用界面。.n2 2设备管理的功能设备管理的功能n 设备管理必须具有如下功能：设备管理必须具有如下功能：n（1 1）提供一组）提供一组I/OI/O命令，以便用户进程命令，以便用户进程能够在程序一级发出所需要的能够在程序一级发出所需要的I/OI/O请求，请求，这就是用户使用外部设备的这就是用户使用外部设备的“界面界面”。.n（2 2）进行设

7、备的分配与回收。）进行设备的分配与回收。n（3 3）对缓冲区管理。）对缓冲区管理。 n（4 4）实现真正的）实现真正的I/OI/O操作。操作。 .4.2 4.2 输入输入/ /输出的处理步骤输出的处理步骤n4.2.1 I/O4.2.1 I/O请求的提出请求的提出 n 输入输入/ /输出请求来自用户作业进程。输出请求来自用户作业进程。 . 图图4-3 I/O4-3 I/O请求的处理步骤请求的处理步骤.n4.2.2 4.2.2 对对I/OI/O请求的管理请求的管理 n 设备的输入设备的输入/ /输出管理程序由三块内输出管理程序由三块内容组成：接受用户的容组成：接受用户的I/OI/O请求，组织管理请

8、求，组织管理输入输入/ /输出的进行，以及输入输出的进行，以及输入/ /输出完成输出完成后的善后处理。后的善后处理。 .n4.2.3 I/O4.2.3 I/O请求的具体实现请求的具体实现 n 在操作系统的设备管理中，是由设在操作系统的设备管理中，是由设备驱动程序来具体实现备驱动程序来具体实现I/OI/O请求的。请求的。.n 设备驱动程序有时也称为输入输出设备驱动程序有时也称为输入输出处理程序，它必须使用有关输入处理程序，它必须使用有关输入/ /输出的输出的特权指令来与设备硬件进行交往，以便特权指令来与设备硬件进行交往，以便真正实现用户的输入真正实现用户的输入/ /输出操作要求。输出操作要求。.

9、4.3 4.3 设备的分配与调度算法设备的分配与调度算法n4.3.1 4.3.1 管理设备时的数据结构管理设备时的数据结构n 为了管理系统中的外部设备，操作为了管理系统中的外部设备，操作系统为每一台设备开辟一个存储区，随系统为每一台设备开辟一个存储区，随时记录系统中每一台设备的基本信息，时记录系统中每一台设备的基本信息，这个存储区被称为这个存储区被称为“设备控制块设备控制块DCBDCB（Device Control BlockDevice Control Block）”。 . 图图4-4 4-4 设备控制块设备控制块DCBDCB及设备请求队列及设备请求队列.n 因为设备控制块因为设备控制块DC

10、BDCB中存放的是一台中存放的是一台具体设备的有关信息，找到一个设备的具体设备的有关信息，找到一个设备的DCBDCB，就得到了该设备的特性、各种参数、，就得到了该设备的特性、各种参数、使用情况等，所以使用情况等，所以DCBDCB是设备管理中最重是设备管理中最重要的一种数据结构。图要的一种数据结构。图4-5 4-5 系统设备表系统设备表SDTSDT.n 为了管理设备，系统除了为每个设为了管理设备，系统除了为每个设备设置备设置DCBDCB外，整个系统还要有一张所谓外，整个系统还要有一张所谓的的“系统设备表（系统设备表（SDTSystem Device SDTSystem Device TableT

11、able）”。 . 表目 n 图图4-5 4-5 系统设备表系统设备表SDTSDT.n4.3.2 4.3.2 独享设备的分配独享设备的分配n “ “独享设备独享设备”即是在使用上具有排即是在使用上具有排它性的设备。它性的设备。 n .n 独享设备的使用具有排它性，因此独享设备的使用具有排它性，因此对这类设备只能采取对这类设备只能采取“静态分配静态分配”的策的策略。略。 .n 为了管理起见，系统在内部对每一台为了管理起见，系统在内部对每一台设备进行编号，以便相互识别。设备的设备进行编号，以便相互识别。设备的这种内部编号称为设备的这种内部编号称为设备的“绝对号绝对号”。.n 为了便于区分，避免混乱

12、，允许用为了便于区分，避免混乱，允许用户对自己要求使用的几台相同类型的设户对自己要求使用的几台相同类型的设备进行编号。这种编号出自于用户，因备进行编号。这种编号出自于用户，因此称为设备的此称为设备的“相对号相对号”。.n 用户是通过用户是通过“设备类，相对号设备类，相对号”来来提出使用设备的请求的。提出使用设备的请求的。 .n 操作系统设置两种表，一是操作系统设置两种表，一是“设备设备类表类表”，整个系统就只有一张设备类表；，整个系统就只有一张设备类表；一是一是“设备表设备表”，每一类设备有一张。，每一类设备有一张。. 图图4-7 4-7 设备类表和设备表设备类表和设备表.n 对于独享设备，常

13、采用的分配算法对于独享设备，常采用的分配算法有如下两种：有如下两种：n（1 1）先来先服务）先来先服务 n（2 2）优先级高者先服务）优先级高者先服务 .n4.3.3 4.3.3 共享磁盘的调度共享磁盘的调度 n 当有很多进程向磁盘提出当有很多进程向磁盘提出I/OI/O请求时，请求时，对它们就有一个调度安排问题：让谁先对它们就有一个调度安排问题：让谁先用，让谁后用。用，让谁后用。 .n 执行一次磁盘的输入执行一次磁盘的输入/ /输出需要花费输出需要花费的时间有如下几种。的时间有如下几种。.n（1 1）查找时间：在移动臂的带动下，把）查找时间：在移动臂的带动下，把磁头移动到指定柱面所需要的时间。

14、磁头移动到指定柱面所需要的时间。n（2 2）等待时间：将指定的扇区旋转到磁）等待时间：将指定的扇区旋转到磁头下所需要的时间。头下所需要的时间。n（3 3）传输时间：由磁头进行读）传输时间：由磁头进行读/ /写，完写，完成信息传送所需要的时间。成信息传送所需要的时间。. 磁道 查找 时间 磁臂 向 方 转 旋 盘 磁 等 待 时 间 数 据 信 息 数 息 时 传 输 间 图图4-8 4-8 磁盘的访问过程磁盘的访问过程.n1 1“先来先服务先来先服务”调度算法调度算法n 以以I/OI/O请求到达的先后次序作为磁盘请求到达的先后次序作为磁盘调度的顺序，这就是先来先服务调度算调度的顺序，这就是先来

15、先服务调度算法。法。 . - 图图4-9 4-9 先来先服务磁盘调度算法先来先服务磁盘调度算法.n2 2“最短查找时间优先最短查找时间优先”调度算法调度算法n 把距离磁头当前位置最近的把距离磁头当前位置最近的I/OI/O请求请求作为下一次调度的对象，这就是最短查作为下一次调度的对象，这就是最短查找时间优先调度算法。找时间优先调度算法。 . - 图图4-10 4-10 最短查找时间优先磁盘调度算法最短查找时间优先磁盘调度算法.n3 3“电梯电梯”调度算法调度算法n 总是沿着移动臂的移动方向选择距总是沿着移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的离磁头当前位置最近的I/OI/O请求作为下一请求作为

16、下一次调度的对象。如果该方向上已无次调度的对象。如果该方向上已无I/OI/O请请求，则改变方向再做选择。求，则改变方向再做选择。. 图图4-11 4-11 电梯调度算法（电梯调度算法（1 1）. 图图4-12 4-12 电梯调度算法（电梯调度算法（2 2）.n4 4“单向扫描单向扫描”调度算法调度算法n 单向扫描调度算法总是从单向扫描调度算法总是从0 0号柱面开号柱面开始往里移动移动臂，遇到有始往里移动移动臂，遇到有I/OI/O请求就进请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面。行处理，直到到达最后一个请求柱面。.n 然后移动臂立即带动磁头不做任何然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速返回到服

17、务地快速返回到0 0号柱面，开始下一次号柱面，开始下一次扫描。扫描。. 图图4-13 4-13 单向扫描调度算法单向扫描调度算法.n 例例4-1 4-1 一个具有一个具有4040个柱面的磁盘，个柱面的磁盘，现在正在处理柱面现在正在处理柱面1111上的上的I/OI/O请求。这时请求。这时又顺序到达新的请求，涉及的磁道是又顺序到达新的请求，涉及的磁道是1 1、3636、1616、3434、9 9和和1212。分别采用先来先服。分别采用先来先服务、最短查找时间优先以及电梯调度算务、最短查找时间优先以及电梯调度算法，试问它们各需要滑过多少柱面？法，试问它们各需要滑过多少柱面？.n 为了减少移动臂移动时

18、花费的时间，为了减少移动臂移动时花费的时间，通常信息（也就是文件）不是按照盘面通常信息（也就是文件）不是按照盘面上的磁道顺序存放。上的磁道顺序存放。 .n 磁盘上磁盘块（即扇区）的编号按磁盘上磁盘块（即扇区）的编号按照柱面的顺序进行（从照柱面的顺序进行（从0 0开始），每个柱开始），每个柱面按照柱面上的磁道顺序（也就是按照面按照柱面上的磁道顺序（也就是按照磁头顺序）进行（从磁头顺序）进行（从0 0开始），每个磁道开始），每个磁道按照扇区顺序进行（从按照扇区顺序进行（从0 0开始）。开始）。.n 假定用假定用c c表示每个柱面上的磁道数，表示每个柱面上的磁道数，用用s s表示每个盘面上的扇区数，

19、则第表示每个盘面上的扇区数，则第i i个个柱面、柱面、j j磁头、磁头、k k扇区所对应的磁盘块号扇区所对应的磁盘块号b b可以用如下的公式计算：可以用如下的公式计算：nbb=kk+ss ( (jj+iic c) )（1 1）.n 同样地，根据给出的磁盘块号，也同样地，根据给出的磁盘块号，也可以计算出它在磁盘上的位置（即它位可以计算出它在磁盘上的位置（即它位于的柱面号、磁头号、扇区号）。仍以于的柱面号、磁头号、扇区号）。仍以上面的假定为前提，现在要求第上面的假定为前提，现在要求第p p个磁盘个磁盘块在磁盘上的位置。块在磁盘上的位置。 .n 令令D D= =s s* *c c（每个柱面上拥有的磁

20、盘块（每个柱面上拥有的磁盘块数），设数），设MM=p p/ /D D，NN=p p % % D D（注意，这里（注意，这里的的“/”/”和和“%”%”分别表示整除和求余）。分别表示整除和求余）。.n 于是，求第于是，求第p p块在磁盘上位置的公式块在磁盘上位置的公式为为n柱面号柱面号 = =M M; ; 磁头号磁头号 = =NN/ /s s; ; 扇区号扇区号 = =NN% %s s （2 2）.n 例例4-2 4-2 假定一个磁盘组共有假定一个磁盘组共有100100个个柱面，每个柱面上有柱面，每个柱面上有8 8个磁道，每个盘面个磁道，每个盘面被划分成被划分成8 8个扇区。现在有一个含个扇区。

21、现在有一个含64006400个个记录的文件，记录大小与扇区尺寸相同，记录的文件，记录大小与扇区尺寸相同，编号从编号从0 0开始。该文件从开始。该文件从0 0柱面、柱面、0 0磁道、磁道、0 0扇区顺序存放。试问：扇区顺序存放。试问：.na a该文件的第该文件的第36803680个记录应该存放在磁个记录应该存放在磁盘的哪个位置？盘的哪个位置？nb b第第7878柱面的第柱面的第6 6磁道的第磁道的第6 6扇区中应该扇区中应该存放该文件的第几个记录？存放该文件的第几个记录？.4.4 4.4 数据传输的方式数据传输的方式n 数据传输，或发生在数据传输，或发生在I/OI/O设备与内存设备与内存之间，或

22、发生在之间，或发生在I/OI/O设备与设备与CPUCPU之间。所之间。所谓谓“数据传输的方式数据传输的方式”，就是讨论在进，就是讨论在进行输入行输入/ /输出时，输出时，I/OI/O设备与设备与CPUCPU谁做什么谁做什么的问题。的问题。 .n4.4.1 4.4.1 设备控制器设备控制器n 为了使设计模块化、具有通用性，为了使设计模块化、具有通用性，也为了降低设备成本，通常总是把这两也为了降低设备成本，通常总是把这两部分分开：机械部分称为设备本身，电部分分开：机械部分称为设备本身，电子部分称为子部分称为“设备控制器（或适配设备控制器（或适配器）器）”。 .n 设备挂接在控制器上，因此要让设设备

23、挂接在控制器上，因此要让设备做输入备做输入/ /输出操作，操作系统总是与控输出操作，操作系统总是与控制器交往，而不是与设备交往。制器交往，而不是与设备交往。 . CPU 内存储器 打印机控制器 其他控制器 磁盘控制器 图图4-15 CPU4-15 CPU与控制器之间的单总线模型与控制器之间的单总线模型.n4.4.2 4.4.2 程序循环测试方式程序循环测试方式n 在早期的计算机系统中，都是采用在早期的计算机系统中，都是采用程序循环测试的方式来控制数据传输的。程序循环测试的方式来控制数据传输的。 .n4.4.3 4.4.3 中断方式中断方式n 所谓所谓“中断中断”，是一种使，是一种使CPUCPU

24、暂时中暂时中止正在执行的程序而转去处理特殊事件止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。的操作。.n 能够引起中断的事件称为能够引起中断的事件称为“中断源中断源”，它们可能是计算机的一些异常事故或其它们可能是计算机的一些异常事故或其他内部原因（比如缺页），更多的是来他内部原因（比如缺页），更多的是来自外部设备的输入输出请求。自外部设备的输入输出请求。.n 程序中产生的中断，由程序中产生的中断，由CPUCPU的某些错的某些错误结果（如计算溢出）产生的中断称为误结果（如计算溢出）产生的中断称为“内中断内中断”；由外部设备控制器引起的；由外部设备控制器引起的中断成为中断成为“外中断外中断”。. 图图

25、4-16 4-16 中断方式的数据传输中断方式的数据传输.n4.4.4 4.4.4 直接存储器存取（直接存储器存取（DMADMA）方式）方式n 直接存储器存取方式即是通常所说直接存储器存取方式即是通常所说的的DMADMA（Direct Memory AccessDirect Memory Access）方式，）方式，主要适用于一些高速的主要适用于一些高速的I/OI/O设备，如磁带、设备，如磁带、磁盘等。磁盘等。 . DMA 控制器： 图图4-17 DMA4-17 DMA控制方式控制方式.n DMA DMA控制器中包含有四个寄存器：数控制器中包含有四个寄存器：数据寄存器，状态寄存器，地址寄存器和

26、据寄存器，状态寄存器，地址寄存器和字节计数器。字节计数器。.n 在数据传输之前，将根据在数据传输之前，将根据I/OI/O命令参命令参数对这些寄存器进行初始化。每个字节数对这些寄存器进行初始化。每个字节传输后，地址寄存器内容自动增传输后，地址寄存器内容自动增1 1，字节，字节计数器自动减计数器自动减1 1。.n 使用使用DMADMA方式进行数据传输具有如下方式进行数据传输具有如下特点：特点：n（1 1）DMADMA控制器是在获得总线控制权的控制器是在获得总线控制权的情况下直接与内存储器进行数据交换，情况下直接与内存储器进行数据交换，CPUCPU不介入数据传输的任何事宜。不介入数据传输的任何事宜。

27、.n（2 2）在）在DMADMA方式下，设备与内存储器之方式下，设备与内存储器之间进行的是成批数据传输，比如一块。间进行的是成批数据传输，比如一块。.n（3 3）用）用DMADMA方式传输数据时，方式传输数据时，CPUCPU不得使不得使用总线，因此用用总线，因此用DMADMA方式传输数据，不存方式传输数据，不存在设备与在设备与CPUCPU并行工作的问题。并行工作的问题。.n（4 4）在）在DMADMA方式下，方式下，CPUCPU只做启动和善后只做启动和善后处理工作，数据传输以及处理工作，数据传输以及I/OI/O管理等事宜管理等事宜均由均由DMADMA负责实行。负责实行。.n4.4.5 4.4.

28、5 通道方式通道方式n 通道是一个独立于通道是一个独立于CPUCPU的、专门用来的、专门用来管理输入管理输入/ /输出操作的处理机，它控制设输出操作的处理机，它控制设备与内存储器直接进行数据交换。通道备与内存储器直接进行数据交换。通道有自己的指令系统，称为有自己的指令系统，称为“通道命令通道命令字字”。 .图图4-18 IBM4-18 IBM的通道命令字格式的通道命令字格式.n 若干通道命令字构成一个若干通道命令字构成一个“通道程通道程序序”，它规定了设备应该执行的各种操，它规定了设备应该执行的各种操作和顺序。作和顺序。 .n 必须把存放通道程序的内存起始地必须把存放通道程序的内存起始地址告诉

29、通道。存放这个起始地址的内存址告诉通道。存放这个起始地址的内存固定单元，被称为固定单元，被称为“通道地址字通道地址字”。 .n 当采用通道来进行数据传输时，计当采用通道来进行数据传输时，计算机系统的算机系统的I/OI/O结构应该是通道与主机相结构应该是通道与主机相连，设备控制器与通道相连，设备与设连，设备控制器与通道相连，设备与设备控制器相连。备控制器相连。 .图图4-19 4-19 带有通道的带有通道的I/OI/O结构结构.n 使用通道方式进行数据传输的步骤使用通道方式进行数据传输的步骤如下：如下：n（1 1）当进程提出）当进程提出I/OI/O请求后，请求后，CPUCPU发出发出starts

30、tart命令，指明命令，指明I/OI/O操作、设备号和对操作、设备号和对应的通道。把数据传输的任务交给通道。应的通道。把数据传输的任务交给通道。.n（2 2）发出）发出I/OI/O请求的进程被阻塞，进程请求的进程被阻塞，进程调度程序把调度程序把CPUCPU分配给另一个进程使用。分配给另一个进程使用。.n（3 3）通道接收）通道接收CPUCPU发来的启动命令，调发来的启动命令，调出通道程序执行，设备与出通道程序执行，设备与CPUCPU并行工作。并行工作。.n（4 4）通道逐条执行通道程序中的通道命）通道逐条执行通道程序中的通道命令字，指示设备完成规定的操作，与内令字，指示设备完成规定的操作，与内

31、存储器进行数据交换。存储器进行数据交换。.n（5 5）数据传输完毕，通道向）数据传输完毕，通道向CPUCPU发出中发出中断请求。断请求。.n（6 6）CPUCPU响应通道提出的中断请求，对响应通道提出的中断请求，对这次这次I/OI/O进行善后处理，把阻塞进程的状进行善后处理，把阻塞进程的状态变为就绪，重新参与对态变为就绪，重新参与对CPUCPU的竞争。的竞争。.4.5 4.5 设备管理中的若干技术设备管理中的若干技术n4.5.1 I/O缓冲技术缓冲技术n “缓冲缓冲”即是过渡一下的意思。即是过渡一下的意思。 .n 在处理在处理I/OI/O时，引入缓冲技术是非常时，引入缓冲技术是非常有必要的。通

32、过缓冲，能够调节计算机有必要的。通过缓冲，能够调节计算机系统各部分的负荷，使系统各部分的负荷，使CPUCPU和外部设备的和外部设备的工作都尽量保持在一个较为平稳的良好工作都尽量保持在一个较为平稳的良好状态。状态。 .n 缓冲的实现有两种方法：一种是采缓冲的实现有两种方法：一种是采用专门的硬件寄存器，这是用专门的硬件寄存器，这是“硬件缓硬件缓冲冲”；另一种是在内存储器中开辟出；另一种是在内存储器中开辟出n n个个单元，作为专用的单元，作为专用的I/OI/O缓冲区，这种内存缓冲区，这种内存缓冲区就是缓冲区就是“软件缓冲软件缓冲”。在。在I/OI/O管理中，管理中，主要采用的是软件缓冲。主要采用的是软件缓冲。.n 根据系统设置缓冲区的个数，可以分根据系统设置缓冲区的个数，可以分为单缓冲、双缓冲、多缓冲以及缓冲池为单缓冲、双缓冲、多缓冲以及缓冲池等