计算机设备管理相关知识

第五章设备管理内容（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。5.1I/O系统5.1.1I/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5.1I/O系统5.1.1I/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。

二、设备与控制器之间的接口：(图5.1)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”；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。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，5.数据缓冲6.差错控制二、组成（图5.2）各类寄存器：数据、命令、状态信号线：数据线(独立寻址、内存寻址)、地址线、控制线I/O逻辑：在其控制下完成与CPU、设备的通信。5.1.3I/O通道一、引入通道 一种特殊的执行I/O指令的处理机，与CPU共享内存，可以有自己的总线。引入目的 解脱CPU对I/O的组织、管理。CPU只需发送I/O命令给通道，通道通过调用内存中的相应通道程序完成任务。

5.1.3I/O通道二、类型1.字节多路通道：（图5-3）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。5.1.3I/O通道三、通道“瓶颈”问题：解决：采用复联方式图5.45.1.4总总线系系统微机I/O系统统设备控制制器：与与设备是是一对多多的关系系，系统统是通过过它与设设备通系统―――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。5.1.4总总线系统统二、主机I/O系统（四四级结构）计算机――――I/O通道道―――I/O控制器――――设备I/O通道相相当于对总线线的扩展，即即多总线方式式，且通道有有一定的智能能性，能与CPU并行，，解决其负担担。ISA/EISA/LocalBUS/VESA/PCI5.2I/O控制方方式四个阶段：程序I/O———中断I/O——DMA控制———通道控制。。趋势：提高并并行度。5.2.1程程序I/O（忙—等等待方式）查询方式：CPU需花代代价不断查询询I/O状态态（图5-7a）CPU资源浪浪费极大。例：99.9ms+0.1ms=100ms在在5.2.1中99.9在忙忙等5.2.2中中断I/O向I/O发命命令——返回回——执行其其它任务。I/O中断产产生——CPU转相应中中断处理程序序。如：读数据，，读完后以中中断方式通知知CPU，CPU完成数数据从I/O——内存5.2.3DMA方方式——用于于块设备中一、引入中断I/O，，CPU“字字节”干预一一次，即每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5.8CR（命令/状态）;DR（数据）;MAR（内存地址）;DC（计数）DMA工作过程（例）：DirectMemoryAccessDMADMADMA5.2.4I/O通通道控制方式式DMA方式：：对需多离散散块的读取仍仍需要多次中中断。通道方式：CPU只需给给出（1）通道程程序首址。（2）要访问问I/O设备备后，通道程序序就可完成一一组块操作操作PRecord计数内存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write112507205.3缓缓冲管理目的：组织管管理、分配、、释放buffer5.3.1引引入1.缓和CPU和I/O设备间速度度不匹配的矛矛盾。如：计算———打印buffer———打印2.减少对CPU的中断断频率如：buffer越大，，“buffer满”信信号发生频率率越低。3.提高CPU和I/O并行性5.3缓缓冲管理5.3.2单单缓冲由于C和T可可并行，M和和C或M和T不能并行，，因此处理一一块数据时间间：Max(C,T)+M用户进程何时时阻塞？5.3缓缓冲管理5.3.2双双缓冲效率有所提高高，且进一步步平滑了传输输峰值。系统处理一块块数据的时间间约为：MAX(C,T)收发可双向同同时传送。（（图5－13）5.3缓缓冲管理5.3.3循循环多缓缓冲类型：R:空缓冲；；G：满缓冲冲；C：当前前缓冲循环多缓冲的的使用nextg：指示下一个个应取数据的的bufnexti：指示下一个个空buf.Getbuf：取nextg对应缓冲区提提供使用，将将Nextg置为空，Nextg=（Nextg+1）ModN将Nexti对应缓冲区提提供使用，将将Nexti置为满，Nexti=（Nexti+1）ModNReleasebuf:若C满，则改改为G；若C空，则改改为R；循环多缓冲的的同步问题Nexti追上Nextg：表示输入速度度>输出速度度，全部buf满，这时时输入进程阻塞Nextg追上Nexti：输入速度<输输出速度，全全部buf空空，这时输出出进程阻塞。5.3.4缓缓冲池缓冲池：系统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四个工作缓冲冲区：hin：收容容输入数据sin：提取取输入数据hout：收收容输出数据据sout：提提取输出数据据二、4种工作作方式1.收容输入入；2.提取取输入3.收容输出出；4.提取取输出5.3缓缓冲管理1.hin=getbuf(emq);putbuf(inq,hin)2.sin=getbuf(inq); 计算算；putbuf(emq,sin)3.hout=getbuf(emq);putbuf(outq,hout)4.sout=getbuf(outq);输输出；putbuf(emq,sout)三、Getbuf和Putbuf过过程Getbuf(type)Beginwait(RS(type));wait(MS(type));B(number):=takebuf(type);signal(MS(type));endPutbuf(type)Beginwait(MS(type));addbuf(type,number);signal(MS(type));signal(RS(type));end5.4设设备分配配包括：对设设备、设备备控制器、、通道的分分配5.4.1数据据结构一、设备控控制表DCT：二、控制器器控制表（（COCT），通道道表（CHCT），，系统设备备表（SDT），图图5-17SDT:记记录了系统统中全部设设备及其驱驱动程序地地址。设备控制表表DCTDCT1DCT2DCTn设备类型type设备标识符:deviceid设备状态：等/不等忙/闲指向控制器表的指针重复执行次数或时间设备队列的对首指针5.4.2设备备分配应考考虑的若干干因素一、设备的的固有属性性：共享+虚拟拟：注意调调度的合理理性；独享：排它它性分配，，控制不好好可能死锁锁。二、分配算算法：（1）FIFO；（2）优先先权。5.4.2设备备分配应考考虑的若干干因素三、安全性性：安全分配(同步)：：每进程获获得一I/O后，即即block，直到到其I/O完成。即打破了死死锁条件。。缺点：CPU、I/O对该进进程是串行行，进程进进展缓慢。。不安全分配配（异步））：需进行行安全性检检查，进程程执行效率率高。5.4.3设备备独立性一、概念：：即设备无关关性，指应应用程序独独立于具体体使用的物物理设备。。逻辑设备物理设备逻辑设备表表（LUT）：逻辑设备物理设备Driver入口5.4.3设备备独立性分配流程：：进程给出出逻辑名———通过LUT得到到物理设备备及其driver入口。优点：设备分配更更灵活；逻辑设备和和物理设备备间可以是是多——多多的映射关关系。提高高了物理设设备的共享享性，以及及使用的灵灵活性。如如：某逻辑名可可对应这一一类设备，，提高均衡衡性与容错错性。几个逻辑名名可对应某某一个设备备，提高共共享性。5.4.3设备备独立性易于实现I/O重定定向。不变程序，，只需改变变LUT表表的映射关关系。二、设备独独立性软件件执行所有设设备的公有有操作分配回收名字映射保护缓冲差错控制向用户层软软件提供统统一接口read、、writeStructgeneral_op{int(*read)(……)int(*write)(…)};driver1:Structgeneral_opdev_op={dev1_read,dev1_write};driver2:Structgeneral_opdev_op={dev2_read,dev2_write};Gen_read(fd,……){ dev_op=map(fd);dev_op->read(…);}5.4.3设备备独立性三.名字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。逻辑设备物理设备Driver入口5.4.4独占占设备分配配程序进程n请求求设备：beginsearch(sdt,phdevice)ifnotbusy(phdevice)thenbegincompute(safe)——对独独占设备ifsafethenalloc(n,phdevice);elsebegininsert(DL(phdevice),n);-----将n插插入设备等等待队列DL上returnend;设备忙—elsebegin;insert(DL(phdevice),n);return;end;controllerid=controllerid(COCTptr(dct));――device分ifnotbusy(COCT(controllerid))thenalloc(n,controllerid);elsebegininsert(col,n);return;end;channeled=channeled(chatptr(controllerid));――控制器分配成功ifnotbusy(chct(channelid))thenallocation(n,channelid);elsebegininsert(chl,n)return;end;end;优化：1）增加设设备的独立立性2）考虑多多通路情况况5.4.5SPOOLING技术术1概念假脱机技术术，在联机机情况下同同时出现外外围操作作用：通过过缓冲方式式，将独占占设备改造造为共享设设备2、spooling组成：：1.输入＃＃和输出＃＃：在磁盘上开开辟的2个个大存储空空间，模拟拟输入和输输出设备。。2.输入buf和输输出buf（内存中中）输入设备———输入buf———输入#———用户区区（1）用户区———输出#———输出buf———设备（2）3.输入Spi和输输出SPo进程。分别控制（（1），（（2）的动动作。SPi相相当于脱脱机输入入控制器器。SPo相相当于脱脱机输出出控制器器。3例(1)输输入a.进程程n请求求――>SPi为n在输入入＃中分分配空间间——>设备数数据由输输入buf送输输入#———>生生成输入请求求表挂输入请请求队列列。b.CPU空———取请请求表中中的任务务,送进进程缓冲冲区。（2）输输出：（（打印））a.进程程n请求求——>SPo为n在在输出#中分配配空间———>将将数据由由进程buf转转到输出出#———>生成成一打印请求求表挂打印请请求队列列。b.打印印机空———>查查打印请请求表中中的任务务——>取输输出＃中中对于数数据———>输出出buf———>打印印4特点1.提高高I/O速度：：对低速设设备操作作——>变为对对输入/出#操操作。2.将独独占设备备改造为为共享设设备分配设备备的实质质时分配配输入/出#3.实现现了虚拟拟设备功功能5.5设设备处理理设备处理理程序即即是设备备驱动程程序。设备驱动动程序的的功能和和特点设备驱动动程序的的处理过过程设备驱动动程序的的功能和和特点功能：接收进程程的I/O命令令检查命令令合法性性检查设备备状态设置设备备工作方方式驱动I/O操作作响应设备备中断构成通道道程序设备驱动动程序的的功能和和特点特点：和硬件紧紧密相关关、各个个设备有有自己的的设备驱驱动5.5.2设备备驱动程程序处理理过程包括启动过程程中断处理理过程启动过程程将抽象要要求转化化为具体体要求检查I/O请求求合法性性读出和检检查设备备状态传送必要要的参数数设置工作作方式启动I/O设备备5.5.3中断断处理程程序流程设备启动动－>I/O完完成－>发送中中断－>CPU调用中中断处理理过程中断处理理过程唤醒被阻阻塞的驱动程序进程程保护被中中断进程程环境转入相应应的设备备处理程程序中断处理理(特性)恢复被中中断进程程的现场场5.6磁磁盘存储储器管理理5.6.1磁磁盘性能能简述一、数据据组织和和格式（（图5－－22））磁道———扇区———字节节二、类型型1.固定定头磁盘盘：每个磁道道上有一一个磁头头，快2.移动动头磁盘盘：每个盘面面仅有一一个磁头头，慢5.6.1磁磁盘性能能简述三、磁盘盘访问时时间：1.寻道道时间：：TS=m*n+Sm：常量量，n：：磁道数数，s：：磁盘启启动时间间。2.旋转转延时间间Tr：：指定扇区区旋转到到磁头下下所需时时间。设每秒r转，则则Tr＝＝1/2r（均均值）3.数据据传输时时间Tt＝b/rNb：读写写字节数数N：每道道上的字字节数访问时间间：Ta=Ts+1/2r+b/rN可见，由由于特定定磁盘，，只有集集中放数数据，集集中读写写（b大大）才能能更好提提高传输输效率。。例子寻道时间间:20ms磁盘通道道传输速速率:1MB/s转速r=3600rpm每扇区512字字节每磁道32扇扇区目标：读读128k数数据时间比较较60*16k=960k<1MB/s顺序组织织(20＋＋8.3＋16.7)＋(8.3＋＋16.7)××7＝220(ms)随机组织织(20＋＋8.3＋0.5)××256＝7373(ms)5.6.2磁磁盘调度度目标：减减少寻道道时间一、FCFS（（FisrtComeFirstSecond））特点：简简单，寻寻道时间间长，相相当于随随机访问问模式。。二、SSTF（（最短寻寻道优先先）三、扫描描算法。。1.进程程“饥饿饿现象””SSTF存在。。2.SCAN算算法：在移动方方向固定定的情况况下采用用了SSTF，，以避免免饥饿现现象FCFS调度算算法SSTF调度算算法100道开始被访问的下一个磁道移动距离5545583391918219072160701501038112184146平均寻道长度：55.3100道开始被访问的下一个磁道移动距离90105832553391638118201501321601018424平均寻道长度：27.55.6.2磁磁盘调度度四、循环环扫描CSCAN（图图9-5）一个方向向读完，，不是象象SCAN那样样回头，，而是循循环。访问时间间：2TT+Smax五、N——Step—SCAN和FSCAN算法。。1.N—Step——SCAN粘臂：由由于连续续对某磁磁道访问问引起的的垄断访访问，将将磁盘请请求队列列分为长长为N的的子队列列m个，，如下图图处理。。当N=1时，，为FCFS。。当N时时，为SCAN.5.6.2磁磁盘调度度2.FSCANSCAN调度算算法CSCAN调度度算法100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离1505016010184249094583255339163811820平均寻道长度：27.8100道开始，增加方向被访问的下一个磁道移动距离15050160101842418166382039155165839032平均寻道长度：27.55.6.3磁磁盘高速速缓存形式逻辑上是是磁盘、、物理上上是驻留留在内存存中的盘盘块固定大小小和可变变大小数据交付付方式数据交付付指将磁磁盘高速速缓存中中的数据据传送给给请求者者进程步骤：先先查缓存存、后查查磁盘并并更新缓缓存方式：数据交付付指针交付付5.6.3磁磁盘高速速缓存置换算法法最近最久久访问频率率可预见性性数据一致致性：将将需要一一致性的的块放在在替换队队列的头头部，优优先回写写。周期性回回写磁盘盘例：ms－dos采用用写穿透透方式5.6.4提提高磁盘盘I/O速度的的其它方方法提前读延迟写访问频率率高的磁磁盘块放放在替换换队列的的尾部，，减少回回写次数数优化物理理块的分分布目的是减减小磁头头移动距距离簇分配方方式：一一个簇为为多个连连续的块块虚拟盘（（RAM盘）和磁盘高高速缓存存区别：：虚拟盘盘由用户户控制；；磁盘高高速缓存存由系统统控制。。5.6.5廉廉价磁盘盘冗余阵阵列并行交叉叉存取（（条化存存取）冗余存取取校验存取取优点可靠性高高磁盘I/O速度度高性价比高高RAID0(不冗冗余）RAID0RAID0不冗余不校验分布式存存储低可靠性性低价格并行I/O访访问RAID1(镜像像)分布存放放镜像冗余余不校验RAID1读性能比比RAID0好(选择择寻道时时间小的的磁盘访访问)写性能比比RAID0差存储开销销大可靠性高高RAID2(汉明明码校验验冗余)RAID3用一个校校验盘RAID4(Block-LevelParity)RAID4和RADI3相相比较，，RAID4基基于大的的块校验验RAID5RAID5解决了RAID4校验验盘不可可靠性问问题试验实现SSTF算算法和SCAN算法要求给出任意意的输入入流、计计算平均均寻道长长度。输入流流长度度、磁磁头移移动方方向可可定制制。测试：：设有有100各各磁道道，访访问序序列如如下：23，5，98，14，66，25，78，34，66，74，56，87，12，39，71，49，58当前磁头在50道，上次访问的磁道是18道。9、静夜四无邻邻，荒居旧业业贫。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、雨中黄叶叶树，灯下下白头人。。。21:54:0121:54:0121:5412/28/20229:54:01PM11、以以我我独独沈沈久久，，愧愧君君相相见见频频。。。。12月月-2221:54:0121:54Dec-2228-Dec-2212、故人人江海海别，，几度度隔山山川。。。21:54:0121:54:0121:54Wednesday,December28,202213、乍见见翻疑疑梦，，相悲悲各问问年。。。12月月-2212月月-2221:54:0121:54:01December28,202214、他乡生生白发，，旧国见见青山。。。28十十二月20229:54:01下午午21:54:0112月-2215、比不了得得就不比，，得不到的的就不要。。。。十二月229:54下下午12月-2221:54December28,202216、行动出成成果，工作作出财富。。。2022/12/2821:54:0121:54:0128December202217、做做前前，，能能够够环环视视四四周周；；做做时时，，你你只只能能或或者者最最好好沿沿着着以以脚脚为为起起点点的的射射线线向向前前。。。。9:54:01下下午午9:54下下午午21:54:0112月月-229、没有失败，，只有暂时停停止成功！。。12月-2212月-22Wednesday,December28,202210、很多多事情情努力力了未未必有有结果果，但但是不不努力力却什什么改改变也也没有有。。。21:54:0121:54:0121:5412/28/20229:54:01PM11、成功就就是日复复一日那那一点点点小小努努力的积积累。。。12月-2221:54:0121:54Dec-2228-Dec-2212、世间成事，，不求其绝对对圆满，留一一份不足，可可得无限完美美。。21:54:0121:54:0121:54Wednesday,December28,202213、不知香香积寺，，数里入入云峰。。。12月-2212月-2221:54:0121:54:01December28,202214、意志志坚强强的人人能把把世