计算机操作系统课件：第7章设备管理02

1、1第七章 设备管理第二讲2本节课的主要内容 1.缓冲技术 2.设备分配 3.磁盘存储器管理 3 缓冲技术 计算机系统中各个部件速度的差异是明显的。在不同时刻，系统各部分的负荷也常常很不均衡。虽然通道技术的引入为CPU和I/O设备的并行工作提供了可能，但是由于CPU和I/O外部设备之间的速度不匹配以及工作不均衡，它们的并行程度并不能得到充分发挥。缓冲技术是解决这一问题的一种常用的技术 。4 缓冲技术 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 (2)减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断 响应时间的限制。 (3)提高CPU和I/O设备之间的并行性。 引入缓冲技术的优点：5 缓冲的类型 1.采用

2、专用的硬件缓冲区，如设备控制器中的 数据缓冲寄存器，他们的成本较高，因此其 数量一般较少。 2.在内存中划出一块专门的空间，作为缓冲区 来存放输入/输出的数据，也叫软件缓冲。按照缓冲区存在的位置分为两种方式： 按照缓冲区的个数和缓冲区组织形式的不同，可将缓冲分成： 单缓冲、双缓冲、循环缓冲和缓冲池等几种。67.4 设备分配 在计算机系统中，设备、控制器和通道等资源是有限的，并不是每个进程随时都可以得到这些资源，它首先需要向设备分配程序提出申请，然后由设备分配程序按照一定的分配算法给进程分配必要的资源 。在进行设备分配时，通常需要设置数据结构： （1）设备控制表（DCT） （2）控制器控制表（C

3、OCT） （3）通道控制表（CHCT） （4）系统设备表（SDT） 71. 设备分配中的数据结构 (1).设备控制表DCT 图1 设备控制表 8(2).控制器控制表COCT 图2 控制器COCT表 1. 设备分配中的数据结构 9(3).通道控制表CHCT图3 通道控制表CHCT1. 设备分配中的数据结构 10(4).系统设备表SDT系统范围内的数据结构，记录了系统中全部设备的情况，每一个设备占一个表目。 图4 系统设备表SDT 1. 设备分配中的数据结构 11设备分配的总原则是：一方面要充分发挥设备的使用效率，同时又要避免不合理的分配方式造成死锁、系统工作紊乱等现象，使用户在逻辑层面上能够合理

4、方便地使用设备。2.设备分配时应考虑的因素 122.设备分配时应考虑的因素 设备的固有属性设备分配算法设备分配中的安全性132.设备分配时应考虑的因素（一）设备的固有属性 独占设备。 设备在一段时间内只允许一个进程独占。 (2)共享设备。 允许多个进程同时共享。 (3)可虚拟设备。 设备本身是独占设备，但经过某种技术 处理，可以把它改造成虚拟设备,即共享设备。14（二）设备分配算法 先来先服务(FCFS) 就是当多个进程同时对一个设备提出I/O请求时，系统按照进程提出请求的先后次序，把它们排成一个设备请求队列，并且总是把设备首先分配给排在队首的进程使用。(2)优先级高者优先 就是给每个进程提出

5、的I/O请求分配一个优先级，在设备请求队列中把优先级高的排在前面，如果优先级相同则按照FCFS的顺序排列。这里的优先级与进程调度中的优先级往往是一致的，这样有助于高优先级的进程优先执行、优先完成。2.设备分配时应考虑的因素 15（三）设备分配中的安全性 （1）安全分配方式 每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒。 优点：设备分配安全 缺点：进程进展缓慢，CPU与I/O设备串行工作。（2）不安全分配方式 进程在发出I/O请求后仍继续运行，需要时又发出第二 个、第三个I/O请求。仅当进程所请求的设备已被另一进 程占用时，请求进程才进入阻塞。 优点：一个进程可同时操

6、作多个设备，使进程推进迅速。 缺点：设备分配不安全，容易造成死锁。2.设备分配时应考虑的因素 163.独占设备的分配程序 步骤一：分配设备 首先根据I/O请求中的物理设备名，查找系统设备表（SDT），从中找出该设备的DCT，再根据DCT中的设备状态字段可知该设备是否正忙。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂在设备队列上；否则，按照一定的算法计算本次设备分配的安全性。如果不会导致系统进入不安全状态，便将设备分配给请求进程；否则，仍将其PCB插入设备等待队列。下面我们通过一个具有I/O通道的系统案例，来介绍一下设备分配过程。当某进程提出I/O请求后，系统的设备分配程序可按下述步骤进行设备分配：173

7、.独占设备的分配程序 步骤二：分配控制器 在系统把设备分配给请求I/O的进程后，再到其DCT中找出与该设备连接的控制器的COCT，从COCT的状态字段中可知该控制器是否忙碌。若忙，便将请求I/O进程的PCB挂在该控制器的等待队列上；否则，便将该控制器分配给进程。183.独占设备的分配程序 步骤三：分配通道 在该COCT中又可找到与该控制器连接的通道的CHCT，再根据CHCT内的状态信息，可知该通道是否忙碌。若忙，便将请求I/O的进程挂在该通道的等待队列上；否则，将该通道分配给进程。只有在设备、控制器和通道三者都分配成功时，这次的设备分配才算成功。然后，便可启动该I/O设备进行数据传送。197.

8、5 虚拟设备-SPOOLing技术 （1）虚拟设备是通过某种技术将一台独占设备改造为可以供多个用户共享的共享设备。（2）什么是SPOOLing？ Spooling技术是一种虚拟设备技术，它可以把一台独占设备改造为虚拟设备（共享设备），在进程所需的物理设备不存在或被占用的情况下，仍可使用该设备，从而提高系统效率和设备利用率，实现这一技术的软、硬件系统被称为SPOOLing系统 。202).SPOOLing的基本原理(以常见的共享打印机为例):打印机是一种典型的独占设备，引入SPOOLing技术后，用户的打印请求传递给SPOOLing系统，而并不是真正把打印机分配给用户。SPOOLing系统的输出

9、进程在磁盘上申请一个空闲区，把需要打印的数据传送到里面，再把用户的打印请求挂到打印队列上。如果打印机空闲，就会从打印队列中取出一个请求，再从磁盘上的指定区域取出数据，执行打印操作。由于磁盘是共享的，SPOOLing系统可以随时响应打印请求并把数据缓存起来，这样就把独占设备改造成了共享设备，从而提高了独占设备的利用率和系统效率 。4.SPOOLing技术 213).SPOOLing系统的特点 提高了I/O的速度(2)将独占设备改造为共享设备 在SPOOLing 系统中，实际上并没有为任何进程分配，而只是在输入井和输出井中，为进程分配一存储区和建立一张I/O请求表。这样，可把独占设备改造为共享设备

10、。(3)实现了虚拟设备功能 宏观上，虽然是多个进程在同时使用一台独立设备，而对每一个进程而言，它们都认为自己是独占了一个设备。当然，该设备只是逻辑上的设备。 4.SPOOLing技术 22磁盘存储器的管理1）磁盘存储器的描述 磁盘存储器不仅容量大，存取速度快，而且可以实现随机存取，是当前存放大量程序和数据的理想设备，故在现代计算机系统中，都配置了磁盘存储器，并以它为主来存放文件。这样，对文件的操作，都将涉及到对磁盘的访问。232）磁盘调度算法磁盘是可供多个进程共享的设备，当有很多个进程都要求访问磁盘时，应采用一种最佳的调度算法，以使各个进程对磁盘的平均访问时间最小。由于在访问磁盘的时间中，主要

11、是寻道时间，因此，磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。目前常用的磁盘调度算法有： 1.先来先服务 2.最短寻道时间优先 3.扫描算法242）磁盘调度算法1. 先来先服务FCFS(First-Come, First Served) 进程提出磁盘I/O请求的顺序：55,58,39,18,90,160,150,38,184252）磁盘调度算法1. 先来先服务FCFS(First-Come, First Served) 进程提出磁盘I/O请求的顺序：55,58,39,18,90,160,150,38,184262. 最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) 2

12、）磁盘调度算法进程提出磁盘I/O请求的顺序：55,58,39,18,90,160,150,38,184272. 最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) 2）磁盘调度算法进程提出磁盘I/O请求的顺序：55,58,39,18,90,160,150,38,184283. 扫描(SCAN)算法 1) 进程“饥饿”现象 SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能， 但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达，且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必须优先满足。对SSTF算法略加修改后所形成的SCAN算法，即可防止老进程出现“饥饿”现象。 2）磁盘调度算法292)SCAN算法：既考虑距离又考虑磁头移动方向 进程提出磁盘I/O请求的顺