操作系统课件第5章

第五章设备管理5.1I/O系统I/O系统：实现数据输入、输出及数据存储的系统。包括：设备、设备控制器、高速总线、通道。I/O设备类型使用特性：存储设备、输入输出设备速度：低：键盘、中：打印机、高：磁盘。信息交换单位：块设备：磁盘、字符设备：打印机设备的共享属性：独占设备：临界资源、共享设备：磁盘、虚拟设备：将独占设备虚拟为几个逻辑设备。I/O设备与控制器之间的接口设备不直接与CPU通信，而与设备控制器通信。CPU―――设备控制器―――设备I/O设备与设备控制器间有三种类型的信号，各对应一条信号线。数据信号：双向，有缓存控制信号：控制器发给设备；要求其完成相关操作状态信号：设备发给控制器，显示设备当前状态设备控制器接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作。I/O通道在CPU与I/O设备之间增加设备控制器，减少了CPU对I/O的干预，但当系统配置的设备较多时，I/O操作较为频繁，CPU可能完全陷入I/O处理，降低计算机系统的效率，解决的方法就是用通道技术。通道：专门处理I/O操作的处理机。通道在CPU的控制下独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，实现内存与外设之间成批的数据交换。 通道=I/O处理机单通路I/O系统多通路I/O系统总线系统5.2I/O控制方式四个阶段：程序I/O——中断——DMA——通道。趋势：提高主机与设备的并行度。程序I/O方式CPU等待I/OCPU资源浪费极大例：从终端向内存输入一个字符用100ms，其中99.9ms设备进行输入工作，CPU将字符送入内存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU有99.9ms在忙等中断驱动I/O控制方式例：从终端向内存输入一个字符用100ms，其中99.9ms设备进行输入工作，CPU将字符送入内存用0.1ms，99.9ms+0.1ms=100msCPU利用99.9ms的时间处理其他任务，I/O完成后由控制器发出中断信号。直接存储器访问（DMA）I/O控制方式中断I/O方式，每传送一个“字节”产生一次中断。不利于块设备的I/O。DMA：每传送一个数据块中断一次。设备与内存直接交换数据。DMA控制器的组成CR（命令/状态）;DR（数据寄存器）;MAR（内存地址）;DC（数据计数器）DMA方式的工作流程CR（命令/状态）;DR（数据寄存器）;MAR（内存地址）;DC（数据计数器）I/O通道控制方式

DMA方式：对离散块的读取仍需要多次中断。通道方式：CPU只需给出通道程序首址、要访问I/O设备，通道程序可完成一组块操作。例：六条通道指令组成的通道程序。

操作PRecord计数内存地址Write0080813Write001401034Write01605830Write013002000Write002501850Write11250720通道是一种特殊的（），具有（）能力。主机的CPU与通道可以并行工作，并通过（）实现彼此之间的通信和同步。1、I/O设备2、设备控制器3、处理机4、I/O控制器1、执行I/O指令集2、执行CPU指令集3、传输I/O命令4、运行I/O进程1、I/O指令2、I/O中断3、I/O指令和I/O中断4、操作员如果I/O设备与存储设备进行数据交换不经过CPU来完成，这种数据交换方式是_____。A、程序查询B、中断方式C、DMA方式在中断驱动方式中，CPU是以______为单位对I/O进行干预的；DMA方式时，是以______为单位进行干预的；I/O通道方式是以______为单位进行干预的。5.3缓冲管理缓冲的引入缓冲区是在内存划出的一定区域。1.缓和CPU和I/O设备间速度不匹配的矛盾。 如：计算——打印buffer——打印2.减少对CPU的中断频率 如：buffer越大，“buffer满”信号发生频率越低。3.提高CPU和I/O并行性单缓冲：当进程发出一I/O请求时，OS为之分配一缓冲区。双缓冲：为加快输入输出速度，引入双缓冲技术。原理：首先输入设备向buf1填入数据，进程从buf1提取数据，同时，输入设备向buf2中填数据。当buf1取空时，进程又从buf2中提取数据，与此同时输入设备向buf1填数。如此交替使用两个缓冲区，使CPU和设备的并行操作的程度进一步提高。

循环缓冲：当生产和消费数据的速度相差甚远时，要增加缓冲区的数量，引入循环缓冲技术。

类型：R:空缓冲；G：满缓冲；C：当前缓冲缓冲池：循环缓冲区一般用于特定的进程，属于专用缓冲区，当系统较大时，为提高缓冲区的利用率，使用公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。相同类型缓冲区链成一个队列，形成以下三个队列：空缓冲队列emq、输入队列inq、输出队列outq。四个工作缓冲区：hin：收容输入数据（空）sin：提取输入数据（装满输入数据）hout：收容输出数据（空）sout：提取输出数据（装满输出数据）5.4I/O软件I/O软件层次结构：低层软件实现与硬件相关的操作，高层软件向用户提供一个友好、规范、清晰的界面I/O软件设计的具体目标：①设备独立性。屏蔽设备细节。②统一命名。使用设备逻辑名。③对错误的处理。在低层解决错误。④缓冲技术。屏蔽缓冲区差异。⑤设备的分配和释放。避免死锁。⑥I/O控制方式。屏蔽不同I/O控制方式的差异。产生I/O请求，格式化I/O;Spooling映射，保护，分块，缓冲，分配建立设备寄存器；检查状态当I/O结束时，唤醒驱动器执行I/O操作I/O软件层次及功能中断处理流程设备驱动程序的处理过程将抽象要求转化为具体要求检查I/O请求的合法性读出和检查设备的状态传送必要的参数设置工作方式启动I/O设备设备独立性概念（设备无关性）应用程序独立于具体使用的物理设备。在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备。系统在实际执行时，必须使用物理设备名称。设备独立性软件驱动程序是一个与硬件紧密相关的软件，为了实现设备独立性，必须在其上设置一层软件称为设备独立性软件。用户层的I/O软件大部分的I/O软件都在操作系统内部，有一小部分在用户层，包括与用户程序链接在一起的库函数，以及完全运行于内核之外的一些程序。用户层软件必须通过一组系统调用来取得操作系统的服务。练习设备驱动程序与（）密切相关，如果计算机中配置有一个光盘，一个软盘，一个硬盘，此时应为它们配置（）种外存设备驱动程序。如果系统中连接有四个相同的终端设备，此时应为它们配置（）个终端设备驱动程序。程序员利用系统调用打开I/O设备时，通常使用的设备标识是（）A.逻辑设备名B.物理设备名C.主设备号D.从设备号本地用户通过键盘登陆系统，首先获得键盘输入信息的程序时()。A.命令解释程序B.中断处理程序 C.系统调用程序 D.用户登录程序下列选项中，操作系统提供的给应用程序的接口是（）。A、系统调用B、中断C、库函数D、原语5.5设备分配

设备分配中的数据结构包括：对设备、设备控制器、通道的分配设备控制表设备控制表集合（每个设备一张）控制器控制表，通道表，系统设备表系统设备表：整个系统一张，记录了系统中全部设备及其驱动程序地址。设备分配应考虑的若干因素设备的固有属性：共享+虚拟：注意调度的合理性；独占：排它性分配，控制不好可能死锁。分配算法：先来先服务；优先级高者优先。安全性：安全分配：每进程获得一I/O后，即block，直到其I/O完成。不安全分配：需进行安全性检查，进程执行效率高。独占设备分配程序基本的设备分配程序分配设备分配控制器分配通道设备分配程序的改进增加设备的独立性（申请的同类设备都忙，才阻塞）考虑多通路情况(所有控制器或通道都忙，进程才进入阻塞)SPOOLing技术通过多道程序技术将一台物理CPU虚拟为多台逻辑CPU，实现多个用户共享一台主机。通过SPOOLing技术将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，实现多个用户共享一台物理I/O设备。脱机输入输出方式SPOOLing技术（假脱机技术）：在多道程序环境下，利用多道程序中的两道程序模拟脱机输入输出中外围机的功能，达到“脱机”输入输出的目的。作用：通过缓冲方式，将独占设备改造为共享设备

SPOOLing系统的组成输入设备输出设备输入进程输出进程内存输入缓冲区内存输出缓冲区磁盘输出井磁盘输入井对低速设备操作——>变为对输入/出井操作。输入井：暂存I/O设备输入的数据输出井：暂存用户程序的输出数据输入缓冲区：暂存由输入设备送来的数据，以后再传送到输入井输出缓冲区：暂存从输出井送来的数据，以后再传送给输出设备Spooling实例输入进程n请求输入―>SPi为n在输入井中分配空间—>设备数据由输入buf送输入井CPU空闲—送到内存执行。输出：（打印）进程n请求打印—>SPo为n在输出井中申请磁盘空间—>将数据由内存转到输出井打印机空—>取输出井中对应数据—>输出buf—>打印SPOOLing系统的特点

提高了I/O的速度。将独占设备改造为共享设备。实现了虚拟设备功能。练习1、在采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印数据首先被送到（）A.打印机B.磁盘固定区域C.内存固定区域D.终端2、实现SPOOLing系统时必须在磁盘上辟出称为__________和__________的专门区域，以存放作业信息和作业执行结果。

5.6磁盘存储器的管理磁盘的结构和布局

工作时，磁头悬浮在盘片上方，不与盘片直接接触。磁头在高速旋转的盘片上做径向移动。磁头首先处于0磁道，完成读写经历三个阶段：寻道：磁头沿径向移动，移到目标扇区所在磁道的上方。寻道时间TS旋转延迟：找到目标磁道后通过盘片的旋转，使目标扇区转到磁头的下方。旋转延迟时间Tr数据传输：数据在磁盘与内存之间的实际传输。数据传输时间Tt访问时间：Ta=Ts+Tr+Tt集中放数据，能更好提高传输效率。练习磁盘上的每一个物理块要用三个参数来定位，首先要把移动臂移动并定位到不同盘面上具有相同编号的磁道位置，表示该位置的参数称（）号。

A．柱面

B．盘面

C．扇区

D．磁头

设磁盘的转速为10ms/转，盘面划分10个扇区，当前磁头在第三块的开始位置，则花费（）毫秒的时间可以把第二块的信息读到主存（假设，旋转是按由块号从小到大方向的）

A、1

B、2

C、9

D、10磁盘调度算法当多个访盘请求在等待时，采用一定的调度算法，对这些请求的服务顺序调整安排，减少设备机械运动带来的时间浪费。1先来先服务FCFS2最短寻道时间优先SSTF3扫描（SCAN）算法4循环扫描（CSCAN）算法先来先服务FCFS最短寻道时间优先SSTF扫描（SCAN）算法

循环扫描(CSCAN)算法

假设磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124，65，67读写头起始位置：53安排磁头服务序列计算磁头移动总距离（道数）例先来先服务图解98，183，37，122，14，124，65，67磁头走过的总道数：640