第七章设备管理

第7章设备管理最复杂最琐碎的部分磁带机硬盘光盘绘图仪扫描仪键盘打印机7.1设备管理的概念

---设备的分类按传输速率分类低速设备：每秒几个到数百字节。如Modem，键盘中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机高速设备：每秒数百K到数兆。如磁盘7.1设备管理的概念

---设备的分类按信息交换的单位分类字符型设备：这类设备也称为输入/输出型设备。在信息存取调用时，都是以字符为单位来访问的。如键盘、纸带输入机、打印机等属于该类型设备。块设备：这种设备也称为存储型设备，在其上信息的组织、安排，都以块为单位进行。常见的有磁盘、磁带机、磁鼓等。7.1设备管理的概念

---设备的分类从资源分配角度进行划分独占设备：一次只允许分给一个用户作业使用的设备。而且，这类设备如果分配不当，可能会造成死锁。多数是一些慢速设备，如读卡机、打印机等。共享设备：一次可以允许多个作业同时进行访问的设备。各作业在执行期间内，可以交替分时地对共享设备进行占用。常见的有磁盘、磁鼓等。按使用特性分类：7.1设备管理的概念

---设备的分类7.1设备管理的概念

---设备管理的任务建立方便、一致的用户界面。尽量使CPU与外围设备、外设与外设之间的并行处理能力提高。充分发挥I/O设备的效率。7.1设备管理的概念

---设备管理的功能提供和进程管理系统的接口。进行设备分配。实现设备和设备、设备和CPU等之间的并行操作。进行缓冲区管理。7.2I/O控制方式四个阶段：程序I/O（轮询方式）——中断I/O——DMA控制——通道控制。趋势：提高并行度。7.2I/O控制方式

---轮询方式

轮询方式又称程序直接控制方式，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。

一旦CPU启动I/O设备，便不断查询I/O设备的准备情况，终止原程序的执行，浪费CPU时间；I/O准备就绪后，CPU参与数据传送工作，而不能执行原程序。CPU和I/O设备串行工作，使主机不能充分发挥效率，外围设备也不能得到合理使用，整个系统效率很低。7.2I/O控制方式

---轮询方式7.2I/O控制方式

---中断方式CPU启动I/O设备后，不必查询I/O设备是否就绪，而是继续执行其它进程。当设备将数据准备好，发出中断信号后，CPU再进行中断处理。提高了CPU和设备间的并行效率。7.2I/O控制方式---中断方式向I/O发命令——返回——执行其它任务。I/O中断产生——CPU转相应中断处理程序。如：读数据，读完后以中断方式通知CPU，CPU完成数据从I/O—内存的传送。中断处理程序中，CPU全程参与数据传输操作，它从I/O接口读一个字(字节)并写入主存，如果I/O设备上的数据尚未传送完成，转向现行程序再次启动I/O设备，重复上述过程；否则，中断处理程序结束后，继续从K+1条指令执行。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式又称直接存储器访问方式。其基本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。7.2I/O控制方式

---DMA方式DMA方式的特点是：数据传送的基本单位是数据块。所传送的数据是从设备送内存，或者相反。仅在传送数据的开始和结束时，才需中断CPU请求干预，减少了CPU中断处理的次数。数据传送工作由DMA完成而不是由CPU完成。7.2I/O控制方式

---DMA方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式

通道是一个独立于CPU的专管输入输出控制的处理机，它控制设备与内存直接进行数据交换。它有自己的通道指令，这些通道指令受CPU启动，并在操作结束时向CPU发中断信号。7.2I/O控制方式

---通道控制方式与DMA方式不同的是：在DMA方式中，数据的传送方向、存放数据的内存始址以及传送的数据块长度等都由CPU控制。而在通道方式中，这些都由专管输入输出的硬件——通道来进行控制。7.2I/O控制方式

---通道控制方式与DMA方式不同的是：与DMA方式中要求每台设备至少一个DMA控制器。通道控制方式可以做到一个通道控制多台设备与内存进行数据交换，从而，通道方式进一步减轻了CPU的工作负担和增加了计算机系统的并行工作程度。在通道方式下CPU只需发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可启动通道并使该通道从内存中调出相应的通道指令执行。通道指令一般包含有被交换数据在内存中应占据的位置、传送方向、数据块长度以及被控制的I/O设备的地址信息、特征信息等，通道指令在通道中没有存储部件时存放在内存中。7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式7.2I/O控制方式

---通道控制方式选择通道磁盘字节多路通道打印机输入机内存储器处理机磁带数组多路通道7.3中断技术

---中断的基本概念

中断：是指计算机在执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的事件处理程序，待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。7.3中断技术

---中断的基本概念中断源：引起中断发生的事件被称为中断源。中断请求：中断源向CPU发出的请求中断处理信号称为中断请求。中断响应：CPU收到中断请求后转相应的事件处理程序称为中断响应。7.3中断技术

---中断的基本概念根据中断源产生的条件外中断（中断）内中断（陷阱）二者的区别（P284）软中断通信进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式硬中断7.3中断技术

---中断处理过程流程设备启动I/O完成发送中断CPU调用中断处理过程中断处理过程保护被中断进程环境转入相应的设备处理程序中断处理(特性)恢复被中断进程的现场7.6I/O软件原理

---I/O软件的设计目标和原则设备的独立性：用户编制程序使用的设备与实际使用的设备无关。用户编程时只考虑逻辑设备，系统调用的是物理设备，逻辑设备与物理设备间的转化工作由设备分配程序来完成。当某台设备坏了，只要操作系统改变分配就行了，而程序本身不必做任何修改。设备独立性在计算机系统中，可以配置的外设品种繁多。而且在小型机以上的计算机系统中，可以同时接入多台同样的外设。为了便于对这些外设进行管理，系统对每台进入计算机系统中的设备都给定一个对应的编号，作为调用时识别和区分设备用。这种编号无任何重复，一般被称为设备的绝对号（或物理设备名）设备独立性

有了设备的绝对号，系统在管理过程中对设备的调用变得简单而方便。但作为用户而言，如果直接让其用绝对号来申请设备，就会造成用户在使用中极不方便，复杂程度增加。设备独立性

特别是在多通道程序环境下，用户想查找哪台设备是空闲的，哪台是被占用的，根本是不可能的。有时申请的设备可能刚好很忙，而未被申请的其他同类设备即使处于空闲状态也不能使用，造成了设备使用的灵活性降低，设备利用率差。所以在系统中一般不允许用户用绝对号来直接申请所需的设备。设备独立性为了方便用户，也为了提高外设利用率，在计算机中规定用户申请外设时，只需要向系统说明所需用的某类设备，至于真正在实际中使用哪台设备，由系统根据这类设备的应用情况作出分配。设备独立性即使用户所需多台同样的设备，系统也允许用户按自己的使用要求提出编号，这种由用户申请设备时所用的编号称为相对号（或称逻辑设备名）

有了设备的绝对号和相对号后，用户编制程序使用的设备与实际使用的设备无关，这就是设备的独立性。设备独立性具备设备独立性的计算机系统中，用户编程时只考虑逻辑设备，系统调用的是物理设备，逻辑设备与物理设备间的转化工作由设备分配程序来完成。这样，使系统的适应性好，灵活性强，对改善资源利用率极为有利。当某台设备坏了，只要操作系统改变分配就行了，而程序本身不必做任何修改。对方便用户，改善资源利用率、提高系统的可扩展性和可适应性都有极大的好处。7.6I/O软件原理

---I/O软件的设计目标和原则例如：有１、２、３号打印机，作业J1要申请其中两台，如果让J1直接申请１号、２号打印机，此时，如果１号打印机为另一作业J2占用，即使系统中还有一台可用，J1也必须等待，造成资源浪费。如能让作业J1按相对号来申请设备，则可以避免这种缺陷。J1只要提出某类设备两台，系统可将剩下的两台分给J1，J1就可运行。设备得到充分利用。用户进程进行I/O调用；格式化I/O；SPOOLING设备无关软件命名；保护；阻塞；缓冲；分配设备驱动程序建立设备寄存器；检查状态硬件执行I/O操作中断处理程序当I/O结束时，唤醒驱动程序层次I/O应答I/O功能I/O请求磁盘是一种直接(随机)存取存储设备。它的每个物理记录有确定的位置和唯一的地址，存取任何一个物理块所需的时间几乎不依赖于此信息的位置。磁盘包括多个盘面用于存储数据。每个盘面有一个读写磁头，所有的读写磁头都固定在惟一的移动臂上同时移动。7.7磁盘调度和管理

---磁盘的结构7.7磁盘调度和管理

---磁盘的结构在一个盘面上的读写磁头的轨迹称为磁道在磁头位置下的所有磁道组成的圆柱体称为柱面一个磁道又可划分成一个或多个物理块，通常称为扇区7.7磁盘调度和管理

---磁盘调度为了读取磁盘上的信息，磁头必须能移到所要求的磁道上，并等待所要求的扇区的开始位置旋转到磁头下，然后再开始读或写数据，故整个磁盘的访问时间可分成三个部分：寻道时间旋转延迟时间数据传输时间。7.7磁盘调度和管理

---磁盘调度寻道时间是磁臂将磁头移动到包含目标扇区的柱面时间。旋转延迟时间是磁盘需要将目标扇区转动到磁头下的时间。数据处理时间是指从磁盘读出数据或向磁盘写入数据的时间。7.7磁盘调度和管理

---磁盘调度常用的磁盘调度算法先来先服务（FCFS）最短寻道时间优先(SSTF)扫描算法(SCAN,或电梯算法)先来先服务（FCFS）按访问请求到达的先后次序服务假设磁盘访问序列：98，183，37，122，14，124，65，67。读写头起始位置：53，最短寻道时间优先(SSTF)

SSTF算法选择与当前磁头位置最近的请求作为下一个服务对象，即寻道时间最短的请求。扫描算法(SCAN)

磁臂从磁盘的一端向另一端移动，同时当磁头移过每个柱面时