第章 设备管理南理工王晓峰老师权所有

第5章设备管理

操作系统中负责I/O设备管理的部分称为I/O系统，完成设备管理功能，对OS影响非常大。与处理机管理、存储器管理密切相关，设备管理因此常常作为操作系统内核的一部分。设备管理的主要对象：I/O设备，设备控制器和I/O通道。设备管理的基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高I/O效率，提高I/O设备的利用率。设备管理的主要功能：缓冲区管理，设备分配，设备处理，虚拟设备，实现设备独立性。I/O设备种类多操作差异大，设备管理是操作系统中最繁杂且与硬件最紧密相关的部分。5.1I/O系统概述

I/O系统的组成主要包括：I/O设备、设备控制器及相关接口、总线等，大型主机还包括I/O通道。

5.1.1I/O设备

1、I/O设备的类型(1)

按传输速率分类低速：键盘、鼠标、语音输入输出设备。中速：行式打印机、激光打印机。高速：磁盘、磁带、光盘。（2）

按信息交换单位分类（信息组织方式）：块设备：信息的存取以数据块为单位，如磁盘（适合DMA方式）字符设备：信息的存取以字符为单位，如打印机、交互式终端。（3）

按设备共享属性分类：独占：如打印机共享：如磁盘虚拟：通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供多个进程同时使用。2、设备与控制器之间的接口设备不直接同计算机连接，一般是通过专用的电缆线连接控制器与设备。两者传递的信号主要是三类：(1)数据信号：控制器到设备（输出）、设备到控制器（输入）(2)控制信号：控制器到设备(3)状态信号：设备到控制器在小型机和微型机中，控制器一般直接做成印刷电路板插入计算机（在微机中习惯称为卡，如图形加速卡，网卡）5.1.2I/O管理目标设备管理要达到的主要目标是：1.提供统一界面、方便用户使用使用逻辑操作和逻辑设备名掩盖设备的物理细节。程序对设备的独立性：在源程序和目标程序中都使用设备符号名（逻辑设备名）；提供设备管理与文件系统的统一接口；向程序提供设备重定向功能。2.发挥系统的并行性，提高I/O设备使用效率。采用各种软硬结合的技术使设备、CPU、用户程序、人这四者达到最高程度的并行采用的技术有：中断技术、缓冲技术、设备共享和假脱机技术。3.实现设备的正确、安全使用——设备保护技术：掩盖细节的高级接口；命名与权限管理；只有特权指令才能使用设备硬件接口。5.1.3I/O管理功能

1.缓冲区管理计算机系统中各个部件速度的差异很大。中央处理机的速度以纳秒计，外部设备的处理速度则以毫秒甚至秒计。在不同时刻，系统各部分的负荷也常常很不均衡。为充分发挥并行性，引入缓冲技术。

2.外围设备的分配按照设备的类型(独享、共享或虚拟)和系统中所采用的分配算法，决定把一个I/O设备分配给哪一个要求该类设备的进程。在大、中系统中，分配设备的同时，还应分配相应的控制器和通道，以保证I/O设备与CPU之间有传递信息的通路；凡未分配到所需设备或控制器或通道的进程，应放入相应的等待队列。设备分配程序就是用来实现这一功能的。3.设设备备处处理理设备备处处理理程程序序又又叫叫设设备备驱驱动动程程序序。。4.虚虚拟拟设设备备及及实实现现设设备备独独立立性性5.1.4I/O应应用用接接口口I/O系系统统必必须须采采用用某某种种技技术术使使I/O设设备备可可以以按按统统一一的的标标准准方方式式对对待待。。采用用的的方方式式有有：：抽抽象象、、包包装装与与软软件件分分层层可以以从从不不同同的的I/O设设备备中中抽抽象象出出一一些些通通用用类类型型。。每每个个通通用用类类型型都都可可以以通通过过一一组组标标准准函函数数（（即即接接口口））来来访访问问。。具具体体的的差差别别被被内内核核模模块块（（设设备备驱驱动动程程序序））所所封封装装。。不同同设设备备有有自自己己的的驱驱动动程程序序，，但但提提供供了了一一组组标标准准接接口口。。设备备驱驱动动程程序序层层为为内内核核I/O子子系系统统隐隐藏藏设设备备控控制制器器之之间间的的差差异异，，从从而而简简化化了了OS开开发发人人员员的的任任务务，，也也有有利利于于硬硬件件制制造造商商。。每种种OS都都有有自自己己的的设设备备驱驱动动程程序序接接口口。。故故一一个个特特定定设设备备可可能能有有多多种种设设备备驱驱动动程程序序。。而I/O系系统统调调用用又又为为上上层层应应用用程程序序包包装装了了硬硬件件细细节节。。5.1.5设备备管管理理的的总总体体结结构构划分分为为四四层层：：①设设备备中中断断处处理理程程序序；；中断断处处理理程程序序是是设设备备驱驱动动程程序序中中的的一一部部分分②设设备备驱驱动动程程序序；；③与与设设备备无无关关的的操操作作系系统统软软件件(设备备无无关关层层））负责责将将逻逻辑辑设设备备名名转转换换为为物物理理设设备备名名，，实实现现设设备备的的分分配配和和回回收收，，进进行行缓缓冲冲区区管管理理。。④用用户户级级软软件件（（指指用用户户空空间间的的I/O软件件））用户户与与设设备备管管理理模模块块的的接接口口，，负负责责解解释释用用户户的的应应用用请请求求，，并并将将这这种种请请求求转转化化为为具具体体的的输输入入/输出出操操作作。。相关关层层（（较较低低的的层层））用用于于将将硬硬件件特特征征与与无无关关层层（（较较高高的的层层））隔隔离离开开，，而而无无关关层层（（较较高高的的层层））则则参参与与向向用用户户提提供供一一个个友友好好、、清清晰晰而而规规范范的的接接口口。。从功能能上看看，无无关层层是I/O管理的的主要要部分分，从从代码码量看看，驱驱动层层是I/O管理的的主要要部分分。内核I/O结构LifeCycleofAnI/ORequest5.1.6I/O控制制方式式询问方方式，，又称称程序序直接接控制制方式式。中断方方式DMA方式式通道技技术5.2内内核I/O子系系统内核I/O子系系统是是建立立在硬硬件和和设备备驱动动程序序之上上的。。提供供与I/O有关关的服服务，，如调调度、、缓冲冲、高高速缓缓冲、、假脱脱机、、错误误处理理等。。5.2.1I/O调调度I/O调度度是指指OS根据据一定定算法法按照照一定定的顺顺序为为系统统中的的I/O请请求提提供服服务。。从而而改善善系统统性能能，使使进程程公平平地共共享设设备。。OS通通过为为每个个设备备维护护一个个请求求队列列来实实现调调度。。I/O调度度根据据需要要重新新安排排队列列顺序序以改改善系系统总总体效效率和和应用用程序序的平平均响响应时时间。。5.2.2缓冲管管理缓冲区区是用用来保保存在在两个个设备备之间间或在在设备备和应应用程程序之之间所所传输输数据据的内内存区区域。。1.引入缓缓冲区区的原原因（1）处理理数据据的生生产者者和消消费者者速度度不匹匹配。。如从从调制制解调调器上上收到到文件件并保保存到到硬盘盘上。。（2）协调调传输输数据据大小小不一一致的的设备备。如计算算机网网络上上，发发送方方消息息被分分成若若干包包，接接收方方在缓缓冲区区中重重组数数据。。（3）减少少对CPU的中断断频率率（4）提高高CPU和I/O设备之之间的的并行行性2.单缓冲冲(singlebuffer)：：当用户户进程程发出出I/O请求时时，OS便在主主存中中为之之分配配一个个缓冲冲区。。一个缓缓冲区区，CPU和外设设轮流流使用用，一一方处处理完完之后后接着着等待待对方方处理理。3.双缓冲冲(doublebuffer)：：为了加加快输输入和和输出出速度度，引引入双双缓冲冲区。。设备输输入时时，先先将数数据送送入第第一缓缓冲区区，装装满后后再转转向第第二缓缓冲区区。此时OS可以从从第一一缓冲冲区移移出数数据，，送入入用户户进程程所在在内存存。两个缓缓冲区区，CPU和外设设都可可以连连续处处理而而无需需等待待对方方。要要求CPU和外设设的速速度相相近。。4.循环缓缓冲环形缓缓冲(circularbuffer)：：多个缓缓冲区区，CPU和外设设的处处理速速度可可以相相差较较大。。可参参见““生产产者－－消费费者问问题””，以上的的缓冲冲区仅仅适用用于特特定的的I/O进程和和计算算进程程，属属于专专用缓缓冲区区。系系统较较大时时，会会有多多个专专用缓缓冲区区，消消耗大大量内内存空空间，，利用用率低低，目目前广广泛使使用公公用缓缓冲池池，池池中设设置了了多个个供若若干进进程共共享的的缓冲冲区。。5.缓冲池池(1)缓冲池池的组组成既可用用于输输入，，又可可用于于输出出，缓缓冲池池中有有三类类缓冲冲区：：①空闲缓缓冲区区队列列emq②输入缓缓冲区区队列列inq：由装装满输输入数数据的的缓冲冲区链链成的的队列列。③输出缓缓冲区区队列列outq：由装装满输输出数数据的的缓冲冲区链链成的的队列列。(2)对缓冲冲池的的操作作：①收容容输入入——设备输输入数数据②提取取输入入——计算进进程读读入数数据③收容容输出出——计算进进程输输出数数据④提取取输出出——向设备输输出数数据。。上述操操作访访问各各个缓缓冲区区队列列时，，需要要进行行相应应的互互斥操操作。。5.2.3设备分分配与回收收当进程程向系系统提提出I/O请求时时，只只要是是可能能和安安全的的，设设备分分配程程序便便按照照一定定的策策略把把设备备分配配给请请求进进程。。有的系系统中中还要要分配配相应应的控控制器器和通通道。。1设备分分配中中的数数据结结构(1)设备控控制表表(DCT,DeviceControlTable)每个设设备一一张，，描述述设备备特性性和状状态。。反映映设备备的特特性、、设备备和控控制器器的连连接情情况。。DCT的内容容主要要包括括：设备标标识：：用来来区别别不同同的设设备；；设备类类型：：反映映设备备的特特性；；如：：块设设备或或字符符设备备；设备配配置：：I/O地址等等；设备状状态：：忙/闲，等等待/不等待待；（（若与与设备备链接接的控控制器器或通通道忙忙，则则等待待）等待队队列：：等待待使用用该设设备的的进程程队列列；与设备备连接接的控控制器器表指指针。。(2)系统设设备表表(SDT,SystemDeviceTable)系统内内一张张，反反映系系统中中设备备资源源的状状态，，记录录所有有设备备的状状态及及其设设备控控制表表的入入口。。SDT表项的的主要要组成成：DCT指针：：指向向相应应设备备的DCT；设备使使用进进程标标识：：正在在使用用该设设备的的进程程标识识；DCT信息：：为引引用方方便而而保存存的DCT信息，如如：设备备标识、、设备类类型等；；(3)控制器控控制表(COCT,COntrollerControlTable)每个设备备控制器器一张，，描述I/O控制器的的配置和和状态。。如DMA控制器所所占用的的中断号号、DMA数据通道道的分配配。(4)通道控制制表(CHCT,CHannelControlTable)每个通道道一张，，描述通通道工作作状态。。控制器标识符控制器状态：忙/空闲与控制器连接的通道指针等待控制器的进程队列指针系统设备表设备控制表控制器控制表1通道控制表设备控制表1控制器控制表2控制器控制表n设备控制表npcbpcbpcbpcb(5)表格之间的关系pcbpcb2设备分配配时应考考虑的因因素设备分配配的原则则是合理理使用外外设(公公平和避避免死锁锁)，提提高设备备使用率率。(1)考虑设备的固固有属性性独享设备备：打印印机等。。进程使使用完自自己释放放，一般般不能剥剥夺；共享设备备：磁盘盘、网卡卡等。多多个进程程并发使使用，需需合理调调度；虚拟设备备：虚拟拟打印机机等。可可有多个个进程使使用，但但FCFS。(2)设备分配配算法与进程调调度类似似，但简简单一些些；先来先服服务(FCFS)：按I/O请求的先先后顺序序，排成成I/O请求命令令队列；；按FCFS分配设备备；基于优先先级：依依据进程程的优先先级，指指定I/O请求的优优先级，，优先级级高的排排在设备备队列的的队首；；同优先先级则FCFS；按优先先级高低低分配设设备。(3)设备分配配中的安安全性①安全分配配方式进程发出出I/O请求后阻阻塞，完完成后唤唤醒，即即进程运运行时不不占有任任何设备备资源，，摈弃了了“请求求保持””条件。。缺点：：CPU与I/O设备是串串行工作作。②不安全分分配方式式进程发出出I/O请求后仍仍继续运运行，又又可发出出I/O请求，仅仅当进程程所请求求的设备备已被另另一进程程占用时时，进程程才进入入阻塞状状态。优优点：多多个设备备并行操操作；缺缺点：可可能造成成死锁。。3设备的独独立性(1)设备独立立性（Deviceindependence）的概念设备独立立性指除除了直接接与设备备打交道道的底层层软件之之外，其其它部分分的软件件并不依依赖于硬硬件。可可以提高高软件的的设计效效率。为了实现现设备独独立性：：引入物物理设备备、逻辑辑设备应用程序序使用逻逻辑设备备名调用用设备；；OS实际执行行时，使使用物理理设备名名。OS负责将逻逻辑设备备名转换换为物理理设备名名。(2)设备独立立性带来来如下好好处：①设备分配配时的灵灵活性进程请求求设备时时，OS可从一类类设备中中选择空空闲的分分配，不不会因特特定设备备忙而阻阻塞。②实现I/O重定向I/O重定向：实现I/O操作的设设备可以以更换，，而不必必改变应应用程序序。如，调试试程序时时先输出出到屏幕幕，最后后再打印印(3)逻辑设备备名到物物理设备备名映射射的实现现①逻辑设备备表（LUT））当进程用用逻辑设设备名请请求I/O设备时，，系统为为它分配配相应的的物理设设备，并并在LUT中建立一一个表目目。②LUT的设置可可采用两两种方式式整个系统统一张，，不能有有相同逻逻辑设备备名。每个用户户一张，，放入PCB中4.基本的设设备分配配程序(1)分配设备备(2)分配控制制器(3)分配通道道系统设备表设备控制表控制器控制表1通道控制表设备控制表1控制器控制表2控制器控制表n设备控制表npcbpcbpcbpcbpcbpcb5.2.4SPOOLing技术利用假脱脱机技术术(SPOOLing,SimultaneousPeripheralOperationOnLine,也称为虚虚拟设备备技术)可把独独享设备备转变成成具有共共享特征征的虚拟拟设备，，从而提提高设备备利用率率。1、什么是是SPOOLing引入：在在多道程程序系统统中，专专门利用用一道程序（SPOOLing程序）来来完成对对设备的的I/O操作。无无需使用用外围I/O处理机。。让主机直直接控制制I/O称为联联机I/O；让让另一台台“外围围机”代代替主机机控制I/O称称为脱机机I/O。SPOOLing用联机机I/O模拟脱脱机I/O操作作，故称称为“假假脱机””。原理：SPOOLing程序和外外设进行行数据交交换，可可以称为为“实际际I/O””。一方面，，SPOOLing程序预先先从外设设输入数数据并加加以缓冲冲（输入入井），，在以后后需要的的时候输输入到应应用程序序；另一一方面，，SPOOLing程序接受受应用程程序的输输出数据据并加以以缓冲（（输出井井），在在以后适适当的时时候输出出到外设设。应用程序序进行I/O操作时，，只是和和SPOOLing程序交换换数据，，可以称称为“虚虚拟I/O””。这时候的的虚拟I/O实际上是是SPOOLing程序从缓缓冲池中中读出数数据或把把数据送送入缓冲冲池，而而不是跟跟实际的的外设进进行I/O操作。2、SPOOLing系统的组组成（1）输输入井和和输出井井：在磁磁盘上。。（2）输入缓冲冲区和输输出缓冲冲区：在在内存。。缓和CPU和磁盘速速度不匹匹配的矛矛盾。（3）输入进程程和输出出进程：：守护（（daemon））进程3、SPOOLing系统的特点优点：高速虚拟I/O操作：应用程程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩缩短应用程序序的执行时间间（尽快完成成计算，并释释放占用的计计算机资源））。实现对独享设设备的共享：：SPOOLing系统中，未为为任何进程分分配设备，是是在输入井和和输出井中为为进程分配一一个存储区、、建立一张I/O请求表。由SPOOLing程序提供虚拟拟设备，使每每个使用独占占设备的进程程都认为是自自己独占了一一个设备。4、举例：打印机设备和和可由打印机机管理器管理理的打印作业业队列。如：：WindowsNT中，应用程序序直接向针式式打印机输出出需要15分分钟，而向打打印作业队列列输出只需要要1分钟，此此后用户可以以关闭应用程程序而转入其其他工作，在在以后适当的的时候由打印印机管理器完完成15分钟钟的打印输出出而无需用户户干预。又如Internet上的USENET电子邮件系统统，要向某人人发邮件，先先调用一个称称为send的程序，send接到要发的邮邮件，然后将将它送入一个个SPOOLing目录，待以后后发送。5.2.5出出错处处理设备和I/O传输的出错错有多种方式式：短暂出错OS可以弥补，，如磁盘read错可以以重read永久错误OS就不可能从从中恢复。如如磁盘控制器器故障。I/O系统调调用通常返回回一位调用状状态信息，以以表示成功或或失败。UNIX系统用用一个全局变变量表示出错错代码，以表表示出错原因因。5.3设备处理5.3.1设备驱动程序序的功能和特特点一、设备驱动动程序的功能能1．将上层软件发发来的抽象要要求转换为具具体的要求，，发送给设备备控制器。如如将盘块号转转换为磁盘的的盘面、磁道道号及扇区号号。2．检查用户I/O请求的合法性性，了解设备备的状态，传传递有关参数数，设置设备备的工作方式式。3．发出I/O命令，若设备备空闲则启动动。若设备忙忙，则将请求求者的请求块块挂在设备队队列上。4．及时响应通道道或控制器发发来的中断请求，调调用相应的中中断处理程序序。5.对于设置有通通道的，自动动构成通道程程序二、设备处理理方式1．作为应用进程程的一部分执执行：与程序序控制I/O相对应，难以以对外设发出出的中断作实实时响应；2．作为系统进程程执行：为每类设备设设置一个进程程；或整个系系统设置一个个I/O进程，负责对对各类设备的的I/O进程的管理；；也可设置一一个输入进程程和一个输出出进程；3．不设进程，作为OS核心中的设备备驱动程序，供用户或系系统进程调用用。三、设备驱动动程序的特点点1．设备驱动程序序是在I/O请求进程与设设备控制器之之间的桥梁，，中转数据和控控制。2．设备驱动程序序与I/O设备特性、控控制方式及硬硬件密切相关关，一般由厂厂商提供。3．向上屏蔽设备备细节：不同同类型设备通通常其设备驱驱动程序接口口不同，同类类设备的接口口相同。因此此，同类设备备的不同型号号，只要更换换设备驱动程程序则可由OS使用。5.3.2设备驱动程序序的处理过程程1．将抽象要求转转化为具体要要求。2．检查I/O请求的合法性性3．读出和检查设设备的状态4．传送参数5．设置工作方式式6．启动I/O设备5.3.3中断处理程序序的处理过程程1．唤醒被阻塞驱驱动程序进程程2．保护被中断进进程的上下文文3．分析中断原因因并转入相应应的中断处理理程序4．中断处理5．恢复被中断进进程的现场5.4磁盘存储器管管理磁盘存储器：：随机读写共共享设备，可可移动介质特点:容量大大，速度快。。管理要求：合合理分配空间间、访问效率率高，容错能能力强。其性性能直接影响响文件系统的的性能指标。。5.4.1磁盘的性能简简述1、

数据据的组织地址格式：驱驱动器号、磁磁道号、磁头头号、扇区号号2、

磁盘盘的类型（1）固定定头磁盘（2）移动动头磁盘3、

磁盘盘访问时间（1）寻道道时间：与寻寻道距离成正正比（2）旋转转延迟时间（3）传输输时间影响磁盘访问问时间的主要要参数是寻道道时间。5.4.2磁磁盘调度提高磁盘I/O速度的途途径：（1）硬硬件解解决（2）好好的调调度算法（3）缓缓冲区区来自不同进程程的磁盘I/O请求构成成一个随机分分布的请求队队列。磁盘I/O调度算算法的主要目目标就是减少少请求队列对对应的平均柱柱面定位时间间（寻道时间间）。1、先来先服服务（FCFS）磁盘I/O执执行顺序为磁磁盘I/O请请求的先后顺顺序。该算法的特点点是公平性；；在磁盘I/O负载较轻轻且每次读写写多个连续扇扇区时，性能能较好。2、最短寻道道时间优先SSTF(ShortSeekTimeFirst)考虑磁盘I/O请求队列列中各请求的的磁头定位位位置，选择从从当前磁头位位置出发，移移动最少的磁磁盘I/O请请求。该算法法的目标是使使每次磁头移移动时间最少少。访问磁道与当当前磁头所在在位置最近，，但不能保证证平均寻道时时间最短，但但比FIFO算法有更好好的性能。进进程有可能““饿死”。3、扫描(SCAN)算算法：电梯调度算法法。选择在磁磁头前进方向向上从当前位位置移动最少少的磁盘I/O请求执行行，没有前进进方向上的请请求时才改变变方向。该算算法是对SSTF算法的的改进，磁盘盘I/O较好好，且没有进进程会饿死。。4、循环扫描描算法CSCAN(CircularSCAN)：在一个方向上上使用扫描算算法，当到达达边沿时直接接移动到另一一沿的第一个个位置，即磁磁头向一个方方向移动，到到头后立即返返回。该算法法可改进扫描描算法对中间间磁道的偏好好。实验表明，该该算法在中负负载或重负载载时，磁盘I/O性能比比扫描算法好好。以上算法无法法解决磁臂粘粘着问题。5．N-Step-SCAN算法：把磁盘I/O请求队列分成成长度为N的段，每次使使用扫描算法法处理这N个请求，即将将请求的任务务分成长度为为N的若干个队列列，队列间的的调度采用FCFS方式，队列内内部的请求以以SCAN方式调度。该算法的目标标是解决磁臂臂粘着问题。。当N值很大时，该该算法接近于于SCAN;而N=1时该算法变为为FCFS。6．FSCAN调度算法法将N-Step-SCAN算法中的的队列数目定定为2。把磁磁盘I/O请请求分成两个个队列，交替替使用扫描算算法处理一个个队列，新生生成的磁盘I/O请求放放入另一队列列中。该算法法的目标与N步扫描算法法一致。作业某磁盘有1000个个柱面（0～999），设磁磁头当前位位置是756，磁头头正向0磁磁道运动。。按照FIFO排列列的磁盘请请求队列如如下：811,348,153,968,407,500画图说明FCFS、、SCAN、SSTF算法完完成上述磁磁盘请求的的调度情况况，并计算算为满足上上述请求，，各算法中中磁头运动动的磁道数数。5.4.3磁磁盘高速缓缓存1.磁盘高速缓缓存的形式式指利用内存存空间暂存存从磁盘中中读出的盘盘块信息。。是一组逻逻辑上属于于磁盘，物物理上驻留留内存的盘盘块。磁盘高速缓缓存在内存存中有两种种形式：大小固定，，不受应用用程序多