第七章设备管理PPT学习教案

1、会计学1第七章设备管理第七章设备管理今天日期：2022-4-26第 2 页页 设备管理设备管理 是指计算机系统中除了是指计算机系统中除了CPUCPU和内存以外的所有输入、输出设备的管理。除了进行实际和内存以外的所有输入、输出设备的管理。除了进行实际I/OI/O操作的设备之外，也包括诸如操作的设备之外，也包括诸如设备控制器设备控制器，DMADMA控制器控制器，中断控制器中断控制器，I/OI/O处理机处理机等支持设备。等支持设备。第1页/共92页今天日期：2022-4-26第 3 页页2 2、按设备的数据组织方式分类：、按设备的数据组织方式分类：块块 设设 备备：字符设备字符设备：设备与计算机之间

2、的交换以设备与计算机之间的交换以“数据块数据块”为单位。如：硬盘、软盘、磁带为单位。如：硬盘、软盘、磁带以字符为单位进行输入输出，每次输入、输出一个字符要中断以字符为单位进行输入输出，每次输入、输出一个字符要中断CPU进行处理如：键盘、打印机进行处理如：键盘、打印机系统设备：系统设备：( (标准设备标准设备) )用户设备：用户设备：( (非标准设备非标准设备) )操作系统生成时就纳入到系统管理范围的设备。如：键盘、显示器、磁盘驱动器等操作系统生成时就纳入到系统管理范围的设备。如：键盘、显示器、磁盘驱动器等在完成任务过程中，用户特殊需要的设备称为用户设备。在完成任务过程中，用户特殊需要的设备称为

3、用户设备。 1 1、按设备的从属关系分类、按设备的从属关系分类：7.1.1 7.1.1 设备管理的分类设备管理的分类第2页/共92页今天日期：2022-4-26第 4 页页4 4、按设备的使用特性分类、按设备的使用特性分类：输入输出设备：输入输出设备：存储设备：存储设备：独占设备：独占设备：共享设备：共享设备：虚拟设备：虚拟设备：指在一段时间内只允许一个用户进程访问的设备。如：打印机指在一段时间内只允许一个用户进程访问的设备。如：打印机3 3、按资源分配的角度分类、按资源分配的角度分类；如：磁盘如：磁盘指通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用。指通过虚拟技术将

4、一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用。第3页/共92页今天日期：2022-4-26第 5 页页6 6、按按照数据接口的传输方式分类、按按照数据接口的传输方式分类：串行设备：串行设备：并行设备：并行设备：顺序存储设备顺序存储设备：随机存储设备随机存储设备：指这种设备的读指这种设备的读/写是按照顺序进程的。如：磁带机写是按照顺序进程的。如：磁带机5 5、按设备的读、按设备的读/ /写物理特性分类写物理特性分类；这种设备的读这种设备的读/写可以直接按照数据的位置进行。如：磁盘。写可以直接按照数据的位置进行。如：磁盘。 任何外设都不能与系统总线相连，在两者之间必须有一个专门设计的

5、接口电路，计算机就是通过接口与外设实现信息交换。任何外设都不能与系统总线相连，在两者之间必须有一个专门设计的接口电路，计算机就是通过接口与外设实现信息交换。如：键盘、鼠标。使用如：键盘、鼠标。使用USB接口的设备接口的设备如：打印机、扫描仪、硬盘。如：打印机、扫描仪、硬盘。第4页/共92页今天日期：2022-4-26第 6 页页7.1.2 7.1.2 设备管理的任务和功能设备管理的任务和功能1 1、任务：、任务：2. 2. 设备管理的功能：设备管理的功能：提高外围设备的使用效率；提高外围设备的使用效率；为设备提供方便，统一的界面；为设备提供方便，统一的界面；为各种设备提供尽可能方便统一的使用界

6、面；为各种设备提供尽可能方便统一的使用界面；遵循一定的策略，进行设备的具体分配和回收。遵循一定的策略，进行设备的具体分配和回收。当前比较典型的输入输出系统具有四级结构，主机，通道，控制器和设备。在进行设备分配时，还应分配相应的控制器和通道，以保证设备与当前比较典型的输入输出系统具有四级结构，主机，通道，控制器和设备。在进行设备分配时，还应分配相应的控制器和通道，以保证设备与CPU之间形成两条信息的传输道路。之间形成两条信息的传输道路。第5页/共92页今天日期：2022-4-26第 7 页页实现正的实现正的I/O操作操作，为完成该功能，设备管理程序应具有下述三个功能：，为完成该功能，设备管理程序

7、应具有下述三个功能：提供缓冲技术提供缓冲技术-提高提高CPU和和I/O设备之间的并行操作程度；设备之间的并行操作程度；第6页/共92页今天日期：2022-4-26第 8 页页 设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或CPU 之间的数据传送。一般来说，外设与内存之间的常用数据传送控制方式有之间的数据传送。一般来说，外设与内存之间的常用数据传送控制方式有4 种。即：种。即：1 1、程序直接控制方式、程序直接控制方式2 2、中断控制方式、中断控制方式3 3、DMA DMA 方式方式4 4、通道方式、通道方式第7页/共92页今天日期：2022-4-26第 9 页

8、页设备控制器设备控制器 每种输入每种输入/输出设备都要通过一个控制器和输出设备都要通过一个控制器和CPU相连，控制器是通过自己内部的若干个寄存器与相连，控制器是通过自己内部的若干个寄存器与CPU进程通信。进程通信。有数据寄存器、有状态寄存器、命令寄存有数据寄存器、有状态寄存器、命令寄存。由于是设备挂接在控制器上，因此要让设备做输入。由于是设备挂接在控制器上，因此要让设备做输入/输出操作，操作系统总是与控制器交往，而不是与设备交往。操作系统把命令以及执行命令时所需要的参数一起写入控制器的寄存器中，在控制器接受了一条命令后，就可以独立于输出操作，操作系统总是与控制器交往，而不是与设备交往。操作系统

9、把命令以及执行命令时所需要的参数一起写入控制器的寄存器中，在控制器接受了一条命令后，就可以独立于CPU去完成命令指定的任务。去完成命令指定的任务。第8页/共92页今天日期：2022-4-26第 10 页页一、程序直接控制方式一、程序直接控制方式就是由用户进程来直接控制内存或就是由用户进程来直接控制内存或CPU和外围设备之间的信息传送和外围设备之间的信息传送.这种控制方式的控制进程是用户进程这种控制方式的控制进程是用户进程.当用户需要数据时当用户需要数据时,它通过它通过CPU发出启动设备准备数据的启动命令发出启动设备准备数据的启动命令“START”,然后然后,用户进程进入测试等待状态用户进程进入

10、测试等待状态.第9页/共92页今天日期：2022-4-26第 11 页页接收到接收到Start命令命令做接收或发送数据准备做接收或发送数据准备准备完毕准备完毕?标志置标志置“1“等待等待CPU的下条指令的下条指令发发START指令指令标志为标志为1 吗吗?等待等待 执行下条指令开始数据传送执行下条指令开始数据传送 否否是是是是否否外设外设CPU第10页/共92页今天日期：2022-4-26第 12 页页二、二、 对程序直接控制方式的评价：对程序直接控制方式的评价： 1、优点：优点：控制简单，也不需要多少硬件的支持。控制简单，也不需要多少硬件的支持。2、缺点：缺点：CPU和外设只能串行工作；和外

11、设只能串行工作；CPU在一段时间内只能和一台外设交换数据信息，在一段时间内只能和一台外设交换数据信息，从而不能实现设备之间的并行工作。从而不能实现设备之间的并行工作。无法发现和处理由于设备或其它硬件所产生的错误无法发现和处理由于设备或其它硬件所产生的错误。第11页/共92页今天日期：2022-4-26第 13 页页为了减少程序直接控制方式中为了减少程序直接控制方式中CPU进行测试和等待时间，为了提高系统并行处理的能力，故引入中断技术。使设备使用进行测试和等待时间，为了提高系统并行处理的能力，故引入中断技术。使设备使用“主动主动”的方式通知的方式通知CPU。 中断方式的工作过程是这样的，当某进程

12、要启动某个中断方式的工作过程是这样的，当某进程要启动某个I/O设备工作时，由设备工作时，由CPU向该设备的设备控制器发出一个向该设备的设备控制器发出一个I/O命令，然后继续执行原来的工作，命令，然后继续执行原来的工作，同时设备控制器开始控制同时设备控制器开始控制I/O设备按照命令要求进行具体的设备按照命令要求进行具体的I/O操作，当操作，当I/O完成后，设备控制器向完成后，设备控制器向CPU发出中断信号，表示一个发出中断信号，表示一个I/O步骤完成，步骤完成，CPU再根据这条中断请求调用相应的中断处理程序进行处理。在这个过程再根据这条中断请求调用相应的中断处理程序进行处理。在这个过程中，我们看

13、到中，我们看到CPU和和I/O设备之间实现了并行工作。设备之间实现了并行工作。第12页/共92页今天日期：2022-4-26第 14 页页 A A、机器故障中断；、机器故障中断； B B、输入输出中断；、输入输出中断； C C、时钟中断：、时钟中断： 2 2、向、向CPU CPU 提出中断请请求的设备或事件称为中断源。提出中断请请求的设备或事件称为中断源。根据中断源的不同，中断的类型一般有下面几种根据中断源的不同，中断的类型一般有下面几种：经由硬件定时芯片产生规则的时钟间隔经由硬件定时芯片产生规则的时钟间隔 ；或；或者由软件计数产生的时间间隔，每一次中断都者由软件计数产生的时间间隔，每一次中断

14、都意味着一段固定时间已到。意味着一段固定时间已到。D D、程序错误中断；、程序错误中断；E E、自愿性中断（主要为访管中断）：、自愿性中断（主要为访管中断）： 指正在运行的程序本身安排，期待的中断称指正在运行的程序本身安排，期待的中断称为自愿性中断；而前面四种中断，都不是为自愿性中断；而前面四种中断，都不是CPU上运行的程序所期望的，不是程序自身上运行的程序所期望的，不是程序自身安排的，它们都是由于故障或外部事件的请安排的，它们都是由于故障或外部事件的请求而产生的，所以常把它们称为强迫性中断求而产生的，所以常把它们称为强迫性中断第13页/共92页今天日期：2022-4-26第 15 页页第14

15、页/共92页今天日期：2022-4-26第 16 页页执行中断处理程序：执行中断处理程序：退出中断：退出中断：恢复现场信息，恢复断点，恢复正常操恢复现场信息，恢复断点，恢复正常操作。作。开中断：开中断：CPU继续执行继续执行中断处理流程为：中断处理流程为：返回断点，返回断点，CPU继续执行继续执行开中断开中断恢复现场恢复现场,恢复断点恢复断点执行中断处理程序执行中断处理程序获取中断处理程序入口地址获取中断处理程序入口地址识别中断源识别中断源保存断点，保存现场保存断点，保存现场 关中断关中断第15页/共92页今天日期：2022-4-26第 17 页页中断处理程序的处理过程一般包括：中断处理程序的

16、处理过程一般包括：保护被中断进程的保护被中断进程的CPU环境；环境；分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序；进行中断处理；进行中断处理；恢复被中断进程的现场。恢复被中断进程的现场。第16页/共92页今天日期：2022-4-26第 18 页页第17页/共92页今天日期：2022-4-26第 19 页页CPU内内 存存 储储 器器打打 印印 机机 控控 制制 器器启动位启动位中断允许位中断允许位状态寄存器状态寄存器数据寄存器数据寄存器系统总线系统总线中断请求信号中断请求信号打打 印印 机机四、中断方式的数据传输四、中断方式的数据传输 (看图看图)第18页/

17、共92页今天日期：2022-4-26第 20 页页中断方式的数据传输方式思想：中断方式的数据传输方式思想： 在中断方式中，不需要在中断方式中，不需要CPU去不停的测试状态寄存器，而是当外设做好准备传输数据的工作后，向去不停的测试状态寄存器，而是当外设做好准备传输数据的工作后，向CPU发出一个中断请求，发出一个中断请求，CPU暂停当前执行程序而去响应中断，处理中断。暂停当前执行程序而去响应中断，处理中断。CPU执行内存与外设之间传送数据。该方法可实现执行内存与外设之间传送数据。该方法可实现CPU与外设并行工作。这种方式在状态寄存器中需增设中断允许位，在与外设并行工作。这种方式在状态寄存器中需增设

18、中断允许位，在CPU与外设之间要有中断请求线。与外设之间要有中断请求线。第19页/共92页今天日期：2022-4-26第 21 页页接收到接收到Start命令命令准备数据并将其准备数据并将其存入缓冲区存入缓冲区缓冲区满吗？缓冲区满吗？发中断信号发中断信号发发START命令、命令、将中断位为将中断位为1调度其它进程执行调度其它进程执行其它进程执行其它进程执行收到中断信号吗收到中断信号吗？中断处理中断处理被中断进程执行被中断进程执行否是否是设备设备CPUStartStart命令命令中断位中断位中断请求中断请求第20页/共92页今天日期：2022-4-26第 22 页页1 1、优点：、优点： 五、对

19、中断控制方式的评价五、对中断控制方式的评价：中断方式与程序直接控制方式相比，使中断方式与程序直接控制方式相比，使CPUCPU的利用率大大的提高且能支持多道程序和设备的并行操作，但仍存在着许多问题。的利用率大大的提高且能支持多道程序和设备的并行操作，但仍存在着许多问题。2 2、存在的问题、存在的问题：由于在由于在I/OI/O控制器的数据缓冲寄存器装满之后将会发生中断，加之数据缓冲寄存器通常较小，因此一次数据传输中发生中断次数太多，这将耗去控制器的数据缓冲寄存器装满之后将会发生中断，加之数据缓冲寄存器通常较小，因此一次数据传输中发生中断次数太多，这将耗去CPUCPU的许多时间的许多时间. .第21

20、页/共92页今天日期：2022-4-26第 23 页页现代的计算机系统通常都配置了各种各样的外围设备。如果这些外设通过中断处理方式进行并行操作，则由于中断次数的急剧增加而造成现代的计算机系统通常都配置了各种各样的外围设备。如果这些外设通过中断处理方式进行并行操作，则由于中断次数的急剧增加而造成CPU CPU 无法响应中断和出现数据丢失的现象。无法响应中断和出现数据丢失的现象。当使用中断控制方式的外设的速度也比较高时，可能造成数据缓冲寄存器的数据由于当使用中断控制方式的外设的速度也比较高时，可能造成数据缓冲寄存器的数据由于CPU CPU 来不及取走而丢失。来不及取走而丢失。第22页/共92页今天

21、日期：2022-4-26第 24 页页一、一、DMADMA的含义的含义第23页/共92页今天日期：2022-4-26第 25 页页二、二、DMADMA传输数据的步骤传输数据的步骤 具有具有DMA方式的设备控制器。方式的设备控制器。(看图看图)CPU内存储器内存储器计数计数启动位启动位允许中断位允许中断位磁盘控制器磁盘控制器状态寄存器状态寄存器地址寄存器地址寄存器数据寄存器数据寄存器字节计数器字节计数器DMA寄存器：寄存器：系统总线系统总线磁盘驱动器磁盘驱动器中断请求信号中断请求信号第24页/共92页今天日期：2022-4-26第 26 页页DMA控制器收到控制器收到START命令命令启动设备准

22、备数据启动设备准备数据数据入数据缓冲器数据入数据缓冲器缓冲寄存器的内容入内存缓冲寄存器的内容入内存改变传送字节数计数器与改变传送字节数计数器与内存地址寄存器的内容内存地址寄存器的内容传送字节数为传送字节数为0吗吗？发中断信号停止发中断信号停止I/O操作操作发发START命令内存始址，传送命令内存始址，传送字节数，字节计数器字节数，字节计数器将中断位为将中断位为1调度其它进程执行调度其它进程执行被调度进程运行被调度进程运行收到中断信号吗？收到中断信号吗？转中断处理转中断处理是是否否是是否否CPUStartStart命令命令内存始址内存始址传送字节数传送字节数字节计数器字节计数器中断位中断位中断请

23、求中断请求第25页/共92页今天日期：2022-4-26第 27 页页三、三、DMADMA方式与中断控制方式的区别方式与中断控制方式的区别1、中断控制方式是在数据缓冲寄存器满之后要求中断控制方式是在数据缓冲寄存器满之后要求CPUCPU进进行中断处理行中断处理，而，而DMADMA方式则是在所要求转送的数据方式则是在所要求转送的数据块全部传送结束时要求块全部传送结束时要求CPUCPU进行中断处理进行中断处理。这就大。这就大大减少了大减少了CPU进行中断处理的次数。进行中断处理的次数。2、中断控制方式的数据传送是在中断处理时由中断控制方式的数据传送是在中断处理时由CPUCPU控制控制完成的完成的，

24、而而DMADMA方式是在方式是在DMADMA控制器的控制下不经过控制器的控制下不经过CPUCPU的控制完成的的控制完成的。这就排除了因并行操作设备过。这就排除了因并行操作设备过多时多时CPU来不及处理或因速度不匹配而造成数据丢来不及处理或因速度不匹配而造成数据丢失等现象。失等现象。第26页/共92页今天日期：2022-4-26第 28 页页 1 1、优点：、优点： 三、对三、对DMADMA的评价：的评价： 通过加大一次通过加大一次I/O操作的单位，操作的单位，DMA显著的减显著的减少了中断处理的次数和少了中断处理的次数和CPU的的I/O操作次数。操作次数。 但但CPU仍需要为每次数据传送承担很

25、多工作。仍需要为每次数据传送承担很多工作。DMA方式仍存在着一定的局限性。首先，方式仍存在着一定的局限性。首先，DMA方式对外围设备的管理和某些操作仍由方式对外围设备的管理和某些操作仍由CPU控制。在大中型计算机中，系统所配置的外围设备种类越来越多，数量也越来越大，因而对外围设备的管理与控制也就愈来愈复杂。多个控制。在大中型计算机中，系统所配置的外围设备种类越来越多，数量也越来越大，因而对外围设备的管理与控制也就愈来愈复杂。多个DMA控制器的同时使用显然会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。同时，多个控制器的同时使用显然会引起内存地址的冲突并使得控制过程进一步复杂化。同时，多个DMA

26、控制器的同时使用也是不经济的。控制器的同时使用也是不经济的。 因此，在大中型计算机系统中，除了设置因此，在大中型计算机系统中，除了设置DMA器件之外，还设置专门的硬件装置器件之外，还设置专门的硬件装置通道。通道。2 2、缺点：、缺点：第27页/共92页今天日期：2022-4-26第 29 页页第28页/共92页今天日期：2022-4-26第 30 页页1 1、字节多路通道、字节多路通道 这种通道按字节交换方式工作，主要用于连接中、这种通道按字节交换方式工作，主要用于连接中、低速低速I/O设备，且一个字节多路通道可以连接多台中、设备，且一个字节多路通道可以连接多台中、低速低速I/O设备，能实现多

27、台中、低速设备并行传送数据设备，能实现多台中、低速设备并行传送数据。此通道主要用于连接低速外部设备。此通道主要用于连接低速外部设备。2 2、数据选择通道、数据选择通道 以块为单位进行数据传输，选择通道在一段时间内只以块为单位进行数据传输，选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序控制一台设备进行数据传送，因此，能执行一个通道程序控制一台设备进行数据传送，因此，某台设备占用一个通道时，该通道就由此设备独占，直到某台设备占用一个通道时，该通道就由此设备独占，直到该设备传送完毕释放这个通道为止。这种通道的传送速度该设备传送完毕释放这个通道为止。这种通道的传送速度快，但利用率低。此通道主要用于连接高速外

28、部设备。快，但利用率低。此通道主要用于连接高速外部设备。第29页/共92页今天日期：2022-4-26第 31 页页3 3、数组多路通道：、数组多路通道： 以块为单位进行数据传送，可以分时操作不同的通道以块为单位进行数据传送，可以分时操作不同的通道指令程序。此通道主要用于连接中速块设备。指令程序。此通道主要用于连接中速块设备。三、通道的工作过程三、通道的工作过程1 1、通道组成、通道组成1)、 CPU的的I/O指令指令2)、通道本身提供的通道命令、通道本身提供的通道命令第30页/共92页今天日期：2022-4-26第 32 页页 当进程要求设备输入数据时，当进程要求设备输入数据时，CPU发发s

29、tart指令指指令指明明I/O操作、设备号和对应通道。操作、设备号和对应通道。 对应通道接收到对应通道接收到CPU发来的启动指令发来的启动指令Start之后，之后，把存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应把存放在内存中的通道指令程序读出，设置对应设备的设备的I/O控制器中的控制状态寄存器。控制器中的控制状态寄存器。 设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中的设备根据通道指令的要求，把数据送往内存中的指定区域。指定区域。 若数据传送结束，若数据传送结束，I/O控制器通过中断请求线发控制器通过中断请求线发中断信号请求中断信号请求CPU做中断处理。做中断处理。 中断处理结束后，中断处理结束后，CP

30、U返回被中断进程处继续执返回被中断进程处继续执行。行。 2 2、通道的工作过程、通道的工作过程第31页/共92页今天日期：2022-4-26第 33 页页发发STARTSTART命令、指明命令、指明I/OI/O操作设备操作设备号和对应的通道号和对应的通道当前进程等待，调度其当前进程等待，调度其他进程运行他进程运行被调度进程执行被调度进程执行收到中断信号？收到中断信号？转中断处理程序转中断处理程序通道接收指令通道接收指令CPU启动设备准备数据启动设备准备数据设备根据通道指令的要设备根据通道指令的要求，把数据放入内存指求，把数据放入内存指定的区域定的区域传送结束传送结束？发中断信号发中断信号设备设

31、备N NY YN NY YStart命令命令设备号设备号通道号通道号Start命令命令设备号设备号通道号通道号中断请求中断请求第32页/共92页今天日期：2022-4-26第 34 页页 设备10 控制器1 设备11 通道1 设备20 控制器2 主机 设备21 设备30 控制器3 设备31 通道2 设备40 控制器4 设备41 第33页/共92页今天日期：2022-4-26第 35 页页一、引入缓冲的原因一、引入缓冲的原因第34页/共92页今天日期：2022-4-26第 36 页页二、缓冲的分类二、缓冲的分类 硬件缓冲：硬件缓冲： 软件缓冲：软件缓冲：1. 1. 单缓冲区单缓冲区即指硬设备本身

32、所配有的少量的必要的硬即指硬设备本身所配有的少量的必要的硬件缓冲器。件缓冲器。指在内存中划出一个特定的区域来充当缓冲指在内存中划出一个特定的区域来充当缓冲器，使用时，由输入指针和输出指针来控制器，使用时，由输入指针和输出指针来控制对它的信息的写入和取出。对它的信息的写入和取出。2. 2. 双缓冲区双缓冲区缓冲区缓冲区生产者生产者接收者接收者缓冲区缓冲区1生产者生产者缓冲区缓冲区2接收者接收者双缓冲区双缓冲区第35页/共92页今天日期：2022-4-26第 37 页页3. 3. 多缓冲区多缓冲区4. 4. 缓冲池缓冲池 即指把输入缓冲区和输出缓冲区统一起来，形即指把输入缓冲区和输出缓冲区统一起来

33、，形成一个成一个即用于输入又用于输出的公用缓冲区即用于输入又用于输出的公用缓冲区，这时，这时常称之为缓冲池。缓冲池中的缓冲区，要么空闲，常称之为缓冲池。缓冲池中的缓冲区，要么空闲，要么装有输入数据，要么装有输出数据，在系统运要么装有输入数据，要么装有输出数据，在系统运行过程中，缓冲池将维持这样三个性质的缓冲区队行过程中，缓冲池将维持这样三个性质的缓冲区队列。列。把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门把多个缓冲区连接起来组成两部分，一部分专门用于输入，另一部分专门用于输出。用于输入，另一部分专门用于输出。第36页/共92页今天日期：2022-4-26第 38 页页第37页/共92页今天日期：

34、2022-4-26第 39 页页每一台设备有一个，用以记录该设备的状态，使用情况等信息。每一台设备有一个，用以记录该设备的状态，使用情况等信息。整个系统一张。整个系统一张。设备类型设备类型设备设备标识符标识符该设备控制表指针该设备控制表指针表目表目1表目表目i表目表目n系统设备表系统设备表SDT及其表目内容及其表目内容SDT的一个表的一个表目目系统设备表系统设备表SDT设备类型设备类型设备标识符设备标识符设备状态设备状态与设备相连的与设备相连的COCTCOCT指针指针设备请求队列指针设备请求队列指针设备控制块设备控制块DCT第38页/共92页今天日期：2022-4-26第 40 页页 (看图看

35、图) (看图看图)每个控制器一张，它反映每个控制器一张，它反映I/O控制器的使用情况以及和通道的连接情况等。控制器的使用情况以及和通道的连接情况等。该表只在通道控制方式的系统中存在，也是每个通道一张。该表只在通道控制方式的系统中存在，也是每个通道一张。通道标识符通道标识符通道状态通道状态与通道连接的控制器表首址与通道连接的控制器表首址通道请求队列指针通道请求队列指针通道控制表通道控制表CHCT控制器标识符控制器标识符控制器状态控制器状态与控制器相连的通道表指针与控制器相连的通道表指针CHCTCHCT控制器请求队列指针控制器请求队列指针控制器表控制器表COCT第39页/共92页今天日期：2022

36、-4-26第 41 页页三、设备分配策略三、设备分配策略第40页/共92页今天日期：2022-4-26第 42 页页一、磁盘的调度的含义：一、磁盘的调度的含义： 在多道程序系统中，磁盘是可以被多个进程共享的设备。当有多个进程都请求访问磁盘时，访问磁盘的请求也组成一个等待队列，由磁盘调度程序按照一种适当的调度算法来安排这些请求的响应，以使各请求对磁盘的平均访问最少。访问磁盘的时间由在多道程序系统中，磁盘是可以被多个进程共享的设备。当有多个进程都请求访问磁盘时，访问磁盘的请求也组成一个等待队列，由磁盘调度程序按照一种适当的调度算法来安排这些请求的响应，以使各请求对磁盘的平均访问最少。访问磁盘的时间

37、由3 个时间组成：个时间组成： 磁盘空间的地址是以块磁盘空间的地址是以块 (亦称盘区或扇区亦称盘区或扇区)作为一个基本访问单位进行编址的。磁盘空间是一个三维空间。磁盘上的每一个块均由柱面号作为一个基本访问单位进行编址的。磁盘空间是一个三维空间。磁盘上的每一个块均由柱面号(亦称磁道号亦称磁道号)、盘面号、盘面号(亦称磁头号亦称磁头号)、扇区号、扇区号3部分组成。部分组成。第41页/共92页今天日期：2022-4-26第 43 页页移动臂读写磁头读写磁头旋转方向旋转方向柱面柱面磁道磁道轴轴第42页/共92页今天日期：2022-4-26第 44 页页寻道时间：寻道时间：磁头从当前位置移动到所需柱面花

38、费的时间。磁头从当前位置移动到所需柱面花费的时间。旋转等待时间：旋转等待时间：欲访问的扇区旋转到磁头下所花费的时间。欲访问的扇区旋转到磁头下所花费的时间。读写时间：读写时间：读写当前扇区数据所花费的时间。读写当前扇区数据所花费的时间。第43页/共92页今天日期：2022-4-26第 45 页页移动臂移动臂磁盘调度的原则是：磁盘调度的原则是：先进行移臂先进行移臂(即寻道即寻道)调度，再进行旋转调度，并且移臂调度，再进行旋转调度，并且移臂时间因其是机械移动，所以比旋转等待时间和读写时间均长，故在设计磁盘时间因其是机械移动，所以比旋转等待时间和读写时间均长，故在设计磁盘调度算法时，主要考虑减少移臂时

39、间。调度算法时，主要考虑减少移臂时间。第44页/共92页今天日期：2022-4-26第 46 页页二、磁盘的调度的算法：二、磁盘的调度的算法： 根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。由于只考虑申请者申请的先后次序，此算法的优点是公平、处理简单，且每个进程请求都能得到处理，不会出现某一个进行的请示长期得不到满足的情况。但此算法未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。一般适用于请求磁盘根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。由于只考虑申请者申请的先后次序，此算法的优点是公平、处理简单，且每个进程请求都能得到处理，不会出现某一个进行的请示长期得不到满足的情况。但此算法未对寻道进行优化，致使平均

40、寻道时间可能较长。一般适用于请求磁盘I/O的进程数目较少的场合。的进程数目较少的场合。(请看例题请看例题)第45页/共92页今天日期：2022-4-26第 47 页页寻道轨迹为：寻道轨迹为：20、 10、22、2、40、6、38寻道时间寻道时间=6*(20-10+22-10+22-2+40-2+40-6+38-6) =146*6=876ms0261020223840例题：例题：当前磁盘读写位于柱面号当前磁盘读写位于柱面号2020，此时有多个磁盘请求以下列柱面号，此时有多个磁盘请求以下列柱面号顺序送到磁盘驱动器顺序送到磁盘驱动器1010、2222、2 2、4040、6 6、3838。寻道时，移动

41、一个柱面需。寻道时，移动一个柱面需6ms6ms，按先来先服务磁盘调度算法算法计算的需寻道时间。，按先来先服务磁盘调度算法算法计算的需寻道时间。第46页/共92页今天日期：2022-4-26第 48 页页 以申请者要求磁头移动距离的大小作为优先的因素，申请者访问的磁道距离磁头当前位置逾近者优先，以使每次的寻道时间为最短。但这种调度算法却不能保证平均寻道时间最短。与先来服务算法比，该算法使平均等待时间得到了改善，可以获得较好的寻道性能，但客观存在可能导致某些进程发生以申请者要求磁头移动距离的大小作为优先的因素，申请者访问的磁道距离磁头当前位置逾近者优先，以使每次的寻道时间为最短。但这种调度算法却不

42、能保证平均寻道时间最短。与先来服务算法比，该算法使平均等待时间得到了改善，可以获得较好的寻道性能，但客观存在可能导致某些进程发生“饿死饿死”现象，因为只要不断有新的申请，且访问的磁道离磁头当前的位置较近，这种新的请求就会被优先处理。现象，因为只要不断有新的申请，且访问的磁道离磁头当前的位置较近，这种新的请求就会被优先处理。(请看例题请看例题)第47页/共92页今天日期：2022-4-26第 49 页页1143753656798122124183例题例题2：求解请求顺序为：求解请求顺序为：5353、9898、183183、3737、122122、1414、124124、6565、6767的寻道轨

43、迹和寻道时间：的寻道轨迹和寻道时间：寻道轨迹为：寻道轨迹为：53,65,67,37,14,98,122,124,183寻道时间寻道时间=6*(65-53+67-65+67-37+37-14+98-14+122-98+124-122+183-124)=236*6=1416ms第48页/共92页今天日期：2022-4-26第 50 页页 同时考虑两个条件作为优先的准则，既考虑申请者要求磁头移动的方向，又考虑要求磁头移动的距离，而且首先是方向一致，其次才是距离最短。该算法所选择的下一个访问对象是其欲访问的磁道在当前磁道之外，又是距离最近的。这样由里向外的访问，直至无当前磁道之外的磁道需要访问，才将磁

44、头臂换向，由外向里访问。这时，选择在当前磁道之内、距离最近的磁道访问，磁头逐步向里移动，直至再无当前磁道之内的磁道需要访问，从而避免了饥饿现象。该算法中，磁头的移动规律与电梯类似，故又常称为电梯算法。同时考虑两个条件作为优先的准则，既考虑申请者要求磁头移动的方向，又考虑要求磁头移动的距离，而且首先是方向一致，其次才是距离最短。该算法所选择的下一个访问对象是其欲访问的磁道在当前磁道之外，又是距离最近的。这样由里向外的访问，直至无当前磁道之外的磁道需要访问，才将磁头臂换向，由外向里访问。这时，选择在当前磁道之内、距离最近的磁道访问，磁头逐步向里移动，直至再无当前磁道之内的磁道需要访问，从而避免了饥

45、饿现象。该算法中，磁头的移动规律与电梯类似，故又常称为电梯算法。 (请看例题请看例题)第49页/共92页今天日期：2022-4-26第 51 页页例题例题3：用扫描算法（：用扫描算法（SCAN）计算：）计算：寻道轨迹为：寻道轨迹为：53,37,14,65,67,98,122,124,183寻道时间寻道时间=6*(53-37+37-14+65-14+67-65+98-67+122 -98+124-122+183-124) =208*6=1218ms1143753656798122124183初初 始始 移移 动动 方方 向向请求顺序为：请求顺序为：53、98、183、37、122、14、124、

46、65、67的寻道轨迹和寻道时间：的寻道轨迹和寻道时间：第50页/共92页今天日期：2022-4-26第 52 页页 该算法总是从该算法总是从0号柱面开始往里移动移动臂，遇到有号柱面开始往里移动移动臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面。然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速返回到请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面。然后移动臂立即带动磁头不做任何服务地快速返回到0号柱面，开始下一次扫描。号柱面，开始下一次扫描。 (请看例题请看例题)第51页/共92页今天日期：2022-4-26第 53 页页1143753656798122124183快快 速速 返返 回回 到到 0 号

47、号 柱柱 面面例题例题4：用单向扫描调度算法计算：用单向扫描调度算法计算：寻道轨迹为：寻道轨迹为：53,65,67,98,122,124,183,0,14,37寻道时间寻道时间=6*(65-53+67-65+98-67+122-98+124-122+183-124+ 183-0+14-0+37-14) =350*6=2100ms请求顺序为：请求顺序为：53、98、183、37、122、14、124、65、67的寻道轨迹和寻道时间：的寻道轨迹和寻道时间：第52页/共92页今天日期：2022-4-26第 54 页页 设备处理程序通常称为设备驱动程序，它是设备处理程序通常称为设备驱动程序，它是I/O

48、进程与设备控制器之间的通信程序。由于它常以进程的形式存在，所以简称为设备驱动进程。进程与设备控制器之间的通信程序。由于它常以进程的形式存在，所以简称为设备驱动进程。第53页/共92页今天日期：2022-4-26第 55 页页 阻塞调用进程阻塞调用进程I/O管理程序管理程序 验证验证I/O请求请求 调用设备驱动程序调用设备驱动程序 较验设备状态较验设备状态 激活调用进程激活调用进程 初始化并启动初始化并启动I/O设备驱动程序设备驱动程序 完成真正的完成真正的I/O 返回返回I/O管理程序管理程序逻辑设备逻辑设备物理设备驱动物理设备驱动实际硬件实际硬件进程进程第54页/共92页今天日期：2022-

49、4-26第 56 页页一、设备处理的功能一、设备处理的功能设备驱动程序的主要功能：设备驱动程序的主要功能：（1）将）将I/O请求中逻辑设备请求中逻辑设备/逻辑块号转换为物理设备逻辑块号转换为物理设备/物理块号；物理块号；（2）检查用户）检查用户I/O的合法性，了解的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置指定的工作方式；设备的状态，传递有关参数，设置指定的工作方式；（3）发出）发出I/O命令，启用分配到的命令，启用分配到的I/O设备，完成指定的设备，完成指定的I/O操作；操作；（4）及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序。）及时响应由控制器或通道发

50、来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序。第55页/共92页今天日期：2022-4-26第 57 页页二、设备处理的方式（有二、设备处理的方式（有3 3类）。类）。（1）为每一类设备设置一个进程，专门执行这一类设备的）为每一类设备设置一个进程，专门执行这一类设备的I/O操作，该进程只能在系统态下运行。操作，该进程只能在系统态下运行。（2）在整个系统中设置一个）在整个系统中设置一个I/O进程，专门负责对系统中所有各类设备的进程，专门负责对系统中所有各类设备的I/O操作（或设置一个输入进程和一个输出进程，分别处理系统中所有对各类设备的输入或输出操作。操作（或设置一个输入进程和一个输出进

51、程，分别处理系统中所有对各类设备的输入或输出操作。（3）不设置专门的设备处理进程，只是为各类设备设置相应的设备处理程序，供用户进程或系统进程调用。）不设置专门的设备处理进程，只是为各类设备设置相应的设备处理程序，供用户进程或系统进程调用。第56页/共92页今天日期：2022-4-26第 58 页页三、设备处理的过程三、设备处理的过程设备驱动程序的处理过程，一般包括：设备驱动程序的处理过程，一般包括：将将I/O请求中的逻辑设备请求中的逻辑设备/逻辑块号转换为物理设备逻辑块号转换为物理设备/物理块号；物理块号；检查检查I/O语法的合法性；语法的合法性；读出和检查设备的状态；读出和检查设备的状态；传

52、递必要的参数；传递必要的参数；方式的设置；方式的设置；启动启动I/O设备。设备。第57页/共92页今天日期：2022-4-26第 59 页页四、设备独立性四、设备独立性 设备独立性（又称设备无关性）的基本含义，设备独立性（又称设备无关性）的基本含义，是指应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实是指应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两个概现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备两个概念。在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类念。在应用程序中使用逻辑设备名来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，是使用物理设备名称设备；而系统在实际执行时，是使用物理设备名

53、称。系统通过设置逻辑设备表。系统通过设置逻辑设备表LUT将逻辑设备名映射将逻辑设备名映射为物理设备名。实现了设备独立性功能后，有两个为物理设备名。实现了设备独立性功能后，有两个好处，即设备分配时的灵活性及易于实现好处，即设备分配时的灵活性及易于实现I/O重定重定向向第58页/共92页今天日期：2022-4-26第 60 页页一、慢速的字符设备工作中出现的问题一、慢速的字符设备工作中出现的问题 所有字符设备都是独享设备并属于慢速设备，本所有字符设备都是独享设备并属于慢速设备，本质上属于顺序存取设备。因此，一个进程在某台字符质上属于顺序存取设备。因此，一个进程在某台字符设备上进行数据交换时，往往要

54、等待较长时间，并且设备上进行数据交换时，往往要等待较长时间，并且在该数据交换完成之前，其他进程不能同时访问这台在该数据交换完成之前，其他进程不能同时访问这台设备。而且动态分配也不能真正提高这类设备的利用设备。而且动态分配也不能真正提高这类设备的利用率，当一个进程在使用这类设备进行一次较大量的数率，当一个进程在使用这类设备进行一次较大量的数据交换时，其他需要同时访问该设备的进程就要等待据交换时，其他需要同时访问该设备的进程就要等待较长时间，从而降低了整处系统的并发能力。较长时间，从而降低了整处系统的并发能力。第59页/共92页今天日期：2022-4-26第 61 页页二、脱机外围设备操作二、脱机

55、外围设备操作 采用脱机处围设备操作技术可以改变系统使用效采用脱机处围设备操作技术可以改变系统使用效率不高的问题。率不高的问题。 使用两台外围计算机，一台计算机负责把一批作使用两台外围计算机，一台计算机负责把一批作业的信息全部传送到磁盘上，然后人工地把磁盘移动业的信息全部传送到磁盘上，然后人工地把磁盘移动到主计算机系统。在多道程序系统中，可以从磁盘上到主计算机系统。在多道程序系统中，可以从磁盘上选择多个作业同时运行，每个作业执行时不再启动输选择多个作业同时运行，每个作业执行时不再启动输入机读信息。而是直接从可共享的磁盘上读取各自的入机读信息。而是直接从可共享的磁盘上读取各自的信息。把作业执行的结

56、果存入另一磁盘，最后把存有信息。把作业执行的结果存入另一磁盘，最后把存有结果磁盘移动到另一外围计算机上打印输出。如下图结果磁盘移动到另一外围计算机上打印输出。如下图所示：所示：第60页/共92页今天日期：2022-4-26第 62 页页外围计算机外围计算机主计算机系统主计算机系统外围计算机外围计算机JOB作业作业信息信息作业作业信息信息作业作业信息信息作业作业信息信息打印打印结果结果一批作一批作业信息业信息脱机外围设备操脱机外围设备操作作第61页/共92页今天日期：2022-4-26第 63 页页 完成上述输入输出任务的外围计算机叫脱机外围完成上述输入输出任务的外围计算机叫脱机外围设备操作。因

57、为它不进行运算，只是把信息从一台外设备操作。因为它不进行运算，只是把信息从一台外围设备传送到另一台外围设备，而且这种操作是独立围设备传送到另一台外围设备，而且这种操作是独立于主计算机的，不是在主计算机的控制下进行的，所于主计算机的，不是在主计算机的控制下进行的，所以称为以称为“脱机外围设备操作脱机外围设备操作”。第62页/共92页今天日期：2022-4-26第 64 页页、优点、优点：在一定程度上提高了效率。：在一定程度上提高了效率。作业执行时从磁盘读取信息取代了从低速的作业执行时从磁盘读取信息取代了从低速的输入机上读取信息，加速了作业的执行。输入机上读取信息，加速了作业的执行。为主计算机创造

58、了多道运行的条件。为主计算机创造了多道运行的条件。主机在处理第一批作业的同时，外围计算机主机在处理第一批作业的同时，外围计算机可以同时将第二批作业信息传递到磁盘上。可以同时将第二批作业信息传递到磁盘上。、缺点、缺点使用多台计算机，成本高。使用多台计算机，成本高。增加了作业的周转时间。增加了作业的周转时间。第63页/共92页今天日期：2022-4-26第 65 页页三、三、SPOOLING(SPOOLING(或或SPOOL)SPOOL)技术技术 由于现代计算机系统有足够的功能和大容量的磁由于现代计算机系统有足够的功能和大容量的磁盘，利用中央处理机与通道的并行工作能力，只使用盘，利用中央处理机与通

59、道的并行工作能力，只使用一台计算机就可完成上述三台计算机的工作。此种技一台计算机就可完成上述三台计算机的工作。此种技术即为术即为SPOOLING(或或SPOOL)技术。技术。预输入程序：预输入程序： 其任务是把作业的全部信息输入到磁盘其任务是把作业的全部信息输入到磁盘的输入井，以便需要作业信息和运行作的输入井，以便需要作业信息和运行作业过程中需要数据时，直接从输入井中业过程中需要数据时，直接从输入井中去取。去取。第64页/共92页今天日期：2022-4-26第 66 页页 预输入程序把作业流中的作业信息传送到预输入程序把作业流中的作业信息传送到“输输入井入井”中保存。作业被选中执行时不必再启动

60、输入中保存。作业被选中执行时不必再启动输入机，而只要从磁盘的输入井中读取信息。作业执行机，而只要从磁盘的输入井中读取信息。作业执行中产生的结果也可暂时存放在中产生的结果也可暂时存放在“输出井输出井”中，由作中，由作业执行结束时，由业执行结束时，由“缓输出程序缓输出程序”把作业结果打印把作业结果打印输出。如下图所示：输出。如下图所示：在磁盘上割出的用于存放作业信息和作业在磁盘上割出的用于存放作业信息和作业执行结果的专门区域。用于代替上述的存执行结果的专门区域。用于代替上述的存放作业信息和结果的磁盘。放作业信息和结果的磁盘。输入井输入井 输出井输出井缓输出程序：缓输出程序： 其总是定期查看输出井中