自考操作系统原理-设备管理

设备管理自考操作系统原理--设备管理第1页设备管理功效把文件存放到存放介质上时，必须要对外围设备进行开启和控制，这部分功效由操作系统中设备管理完成。自考操作系统原理--设备管理第2页设备管理功效外围设备分类存放设备：磁盘机、磁带机输入/输出型设备：显示器、输入机、打印机存放型设备能使大量信息存放到存放介质上，能做为主存扩充，也成为辅存。输入输出型设备把外界信息输入到计算机，把运算结果输出。自考操作系统原理--设备管理第3页设备管理功效主存和外设之间信息传送称为输入/输出操作。对存放型设备，输入/输出操作信息传送单位为“块”。对输入/输出型设备，输入/输出操作信息传送单位为“字符”。自考操作系统原理--设备管理第4页设备管理功效设备管理带来好处：开启外设事务不由用户负担实现外设共享，提升设备利用率实现外设和其它计算机部件并行操作，提升系统利用率处理故障，预防用户错误使用外设，提升系统可靠性和安全性自考操作系统原理--设备管理第5页设备管理功效实现对外围设备分配和回收实现外围设备开启实现对磁盘驱动调度处理外设中止事件实现虚拟设备自考操作系统原理--设备管理第6页外围设备分类从使用角度分析外围设备特征，能够把外设分成两类：独占设备和可共享设备。作业执行过程中只允许一个作业独占设备称为独占设备。能够让若干个作业同时使用(交替使用)设备称为可共享设备。自考操作系统原理--设备管理第7页独占设备管理实现多道程序设计计算机系统能够同时接纳多个用户作业，每个作业都需要使用一些外设，有时候几道作业可能要求使用一样外设，对于设备管理来说，必须决定分配外设策略，尽可能满足作业要求和提供设备利用率。自考操作系统原理--设备管理第8页设备绝对号与相对号计算机系统中配置有各种不一样类型设备，每一类设备又能够有多台，为了对设备进行管理，为每台设备确定一个编号，这个编号称为设备绝对号。用户无法知道哪台设备空闲，用户申请设备时不能使用绝对号。只要向系统说明所要设备类型，实际分类哪一台由系统决定。自考操作系统原理--设备管理第9页设备绝对号与相对号用户可能同时使用几台同类型设备，为了防止使用时混乱，用户能够把自己要求使用若干台设备编号，由用户对自己需要使用若干台设备给出编号称为设备相对号。用户总是用“设备类、相对号”来提出使用设备。系统在为用户分配详细设备时就建立“设备类、相对号”和“绝对号”对应关系。自考操作系统原理--设备管理第10页独占设备分配作业申请独占设备时，应指定所需是什么设备，指定方式有两种：指定“绝对号”：系统把与绝对号对应设备分配给作业，假如已占用或有故障，作业等候。通常，用户不用指定详细设备，而是指定哪种设备多少台，用户在程序中使用“设备类、相对号”定义逻辑设备。由系统将逻辑设备转换成物理设备，并开启设备工作。用户编制程序时使用设备与实际占用设备无关，这种特征称为设备独立性。自考操作系统原理--设备管理第11页独占设备分类设备独立性带来好处：系统只要从指定类别设备中找出“好且还未分配”设备来分配万一设备出现故障，系统能够再找一台“好且还未分配”设备来替换自考操作系统原理--设备管理第12页独占设备分类在设备分配策略上，对磁带机、输入机、打印机等只适合独占设备总是采取静态分配策略。静态分配：仅当一个作业所需独占设备能够得到满足时，该作业才能被装入主存执行，作业撤离时，收回分配给它设备。自考操作系统原理--设备管理第13页独占设备分类为了统计设备分配情况，系统能够设置设备分配表，指出系统所配置独占设备类型、数量以及分配和使用情况。设备分配表由两部分组成：设备类表、设备表设备类总台数现存台数设备表始址打印机11输入机21磁带机22设备类表绝对号好/坏已/未分配占用作业名相对号001好未分配002好已分配J1001003好未分配004好未分配005好未分配设备表自考操作系统原理--设备管理第14页独占设备分类用户申请使用某台设备时，先查设备类表。若果现存台数能够满足申请要求，则依次检验该类设备，找出“好且还未分配”设备分配给用户。分配后修改“现存台数”，“已/未分配”标志，填上作业名和作业中定义相对号，并把设备绝对号和相对号对应关系通知用户。自考操作系统原理--设备管理第15页独占设备分类作业撤离时回收作业占用全部设备依据作业名在设备表中找到该作业占用全部设备，把标志改为“未分配”，去除作业名。把回收台数加到“现存台数”中。自考操作系统原理--设备管理第16页访问磁盘操作时间任何一个访问磁盘请求，都应给出访问磁盘存放空间地址：柱面号、磁头号、扇区号。先把移动臂移到指定柱面，再等候指定扇区旋转到磁头下面，让指定磁头进行读/写。磁盘执行一次输入/输出操作所花费时间：寻道时间、延迟时间、传送时间三个部分组成。磁道磁臂磁头自考操作系统原理--设备管理第17页磁盘驱动调度磁盘是一个共享设备，同时会有若干个进程要求访问磁盘，但每个时刻只允许一个访问者开启。系统会采取一定调度策略来决定等候访问者执行次序，这项决定访问者执行次序工作称为驱动调度，采取调度策略称为驱动调度算法。自考操作系统原理--设备管理第18页磁盘驱动调度磁盘驱动调度包含：移臂调度和旋转调度两部分。普通先进行移臂调度，再进行旋转调度。移臂调度目标是尽可能降低寻找时间。旋转调度目标是尽可能降低延迟时间。自考操作系统原理--设备管理第19页移臂调度依据等候访问者指定柱面位置来决定次序调度称为“移臂调度”。先来先服务调度算法按照访问者提出访问请求先后次序。假设磁盘位于53号柱面，等候者依次要求98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183199自考操作系统原理--设备管理第20页最短寻找时间优先调度算法最短寻找时间优先调度算法总是从等候访问者中挑选寻找时间最短那个请求先执行。假设磁盘位于53号柱面，等候者依次要求98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183自考操作系统原理--设备管理第21页电梯调度算法电梯调度算法总是沿着臂移动方向选择最近那个柱面访问者，假如移动方向上无请求，就改变臂移动方向再进行选择。假设磁盘位于53号柱面，假设磁臂移动方向从内向外(向0号柱面方向)，等候者依次要求98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183自考操作系统原理--设备管理第22页电梯调度算法假设磁盘位于53号柱面，假设磁臂移动方向从外向内(向柱面号增大方向)，等候者依次要求98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183自考操作系统原理--设备管理第23页旋转调度移臂定位之后，可能会有多个访问者访问该柱面，从效率考虑应优先选择延时时间最短访问者去执行，依据延迟时间来决定执行次序调度称为旋转调度。自考操作系统原理--设备管理第24页旋转调度若干请求者要求访问相同磁头下不一样扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求1号请求自考操作系统原理--设备管理第25页旋转调度若干请求者要求访问不一样磁头下不一样扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区磁头4扇区5扇区1号请求0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求自考操作系统原理--设备管理第26页旋转调度若干请求者要求访问不一样磁头下相同扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区磁头4扇区5扇区1号请求0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求自考操作系统原理--设备管理第27页例1：有四个访问5号柱面访问者，访问要求如表所表示：请求次序柱面号磁头号扇区号(1)541(2)515(3)545(4)528自考操作系统原理--设备管理第28页练习P1879自考操作系统原理--设备管理第29页信息优化分布信息在磁道上排列方式也会影响旋转调度时间。例：磁盘每个盘面8个扇区，每次请求从磁盘上读一个统计，对读出统计花5ms时间进行处理，然后再读下一个统计，直至处理结束，假设磁盘转速每七天20ms，统计在磁盘上分布如图所表示：L7L5L4L3L2L1L6L8始点旋转方向处理完这8个统计需要多长时间自考操作系统原理--设备管理第30页信息优化分布L3L5L2L7L4L1L8L6始点旋转方向处理全部统计花时间为：8*(2.5+5)=60ms自考操作系统原理--设备管理第31页练习P18710自考操作系统原理--设备管理第32页通道结构和通道程序当代计算机系统引入了通道结构，主存和外设之间传送信息操作不再由中央处理器负担，而改由通道负担。中央处理器只需开启通道，通道就能按指定要求独立地完成输入/输出操作，中央处理器做其它工作，从而使得中央处理器与外设能够并行工作。因为通道能够独立工作，各通道上外围设备也能并行工作。因为通道能单独地完成输入/输出操作，所以把通道称为I/O处理机。自考操作系统原理--设备管理第33页通道结构和通道程序自考操作系统原理--设备管理第34页通道命令(channelcommandword,CCW)计算机硬件提供一组“通道命令”，每一条通道命令要求了设备一个操作，通道命令由通道执行。操作系统能够用若干条通道命令来要求通道应做工作，若干条通道命令就组成了通道程序。自考操作系统原理--设备管理第35页通道命令CCW不一样操作系统通道命令格式不一样，普通由命令码、数据主存地址、传送字节数、标志码组成。比如IBM系统通道命令用8字节表示：要控制外围设备完成指定工作，首先要用通道程序把要求表示出来，然后开启通道，通道按照通道程序要求指定外设工作。命令码传送字节数标志码数据主存地址063自考操作系统原理--设备管理第36页通道命令CCW例：用户要求从打印机上输出一行信息“operatingsystem”，信息打印在新一页第4行，“operatingsystem”存放在主存001000号单元，占16个字节，编制一个含有三条命令通道程序，程序存放在主存K号单元开始区域中。(16进制表示)走到新页开始，继续下一条命令走纸到第四行，继续下一条命令打印主存001000开始16个字节数据，通道程序结束0700000060000001EF00000060000001F900100000000010KK+8K+1600100000100FOperatingSystem主存自考操作系统原理--设备管理第37页通道地址字(channeladdressword,CAW)编制好通道程序是放在主存，主存中设置一个固定单元存放通道程序首地址，这个存放通道程序首地址主存固定单元称为通道地址字(CAW)。0700000060000001EF00000060000001F900100000000010KK+8K+16主存KCAW自考操作系统原理--设备管理第38页通道状态字(channelstatusword，CSW)当通道被开启后，在执行通道程序时，需要把通道和设备执行操作情况统计下来。通道程序执行结束时，被统计执行情况存放到主存一个固定单元中，这个单元称为通道状态字(CSW)自考操作系统原理--设备管理第39页通道状态字(channelstatusword，CSW)IBM系统通道状态字：通道命令地址：下一条通道指令在主存中地址设备状态：设备和设备控制器识别状态，忙、犯错、结束等通道状态：通道识别状态剩下字节数：最近一次通道命令执行后还剩多少字节没有传输完通道命令地址剩下字节数通道状态设备状态06348474039323187自考操作系统原理--设备管理第40页外围设备开启—准备阶段文件管理确定文件物理地址以及信息存放主存地址用户请求存取文件设备管理组织通道程序，把通道程序在主存首地址写入通道地址字(CAW)通知设备管理自考操作系统原理--设备管理第41页外围设备开启—开启I/O阶段设备管理程序组织“开启I/O”指令，参数为通道号和设备号，CPU执行“开启I/O”指令通道收到指令后，依据自己和设备工作情况形成条件码，向中央处理器汇报是否成功开启分析条件码，若成功开启，中央处理器继续执行其它进程从通道地址字中取出通道程序首地址，装入通道状态字,按照程序要求控制设备工作，执行情况统计在通道状态字中自考操作系统原理--设备管理第42页外围设备开启—结束处理阶段通道发觉通道状态字中有结束、犯错等情况将产生中止通道号、设备绝对号报给中止控制器，中止状态字CSW写入主存发出I/O中止保护断点，分析中止原因，转向中止处理程序自考操作系统原理--设备管理第43页设备处理一致性含有通道计算机系统，从开启外设到输入/输出完成，都不考虑物理设备特征，使用统一方法进行处理，这种不考虑设备详细物理特征处理方法称为设备处理一致性。自考操作系统原理--设备管理第44页I/O中止事件处理I/O中止事件能够分为操作正常结束和操作异常结束两大类，这两类中止处理标准以下：操作正常结束通道状态字中有通道结束、设备结束、控制器结束时，表示通常完成了通道程序要求操作。操作系统依据通道号、设备号查询设备分配表，得到进程名称，将进程状态由“等候”变成“就绪”自考操作系统原理--设备管理第45页I/O中止事件处理操作异常结束设备故障执行输入/输出操作时，发觉硬件故障等情况时形成操作异常结束I/O中止。操作系统处理这类事件标准是让通道程序复执。设备特殊打印机缺纸、磁带到了末尾等特殊情况操作系统分类处理，通知操作员装纸，换磁带等。自考操作系统原理--设备管理第46页缓冲技术缓解CPU与I/O设备间速度不匹配矛盾。在主存中开辟缓冲区，用降临时存放输入/输出信息。在操作系统中，把利用缓冲区来缓解处理器与外设之间速度不匹配矛盾而采取技术称为缓冲技术。核心：“提前读，延迟写”自考操作系统原理--设备管理第47页无缓冲I/O设备工作区用户进程T处理p不采取缓冲技术，一块数据平均处理时间为T+p自考操作系统原理--设备管理第48页单缓冲I/O设备缓冲区工作区用户进程Tt处理p采取单缓冲，一块数据平均处理时间为max(T,p)+tT1t1p1T2t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设p>TT2T1t1p1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设p<T自考操作系统原理--设备管理第49页双缓冲采取双缓冲，一块数据平均处理时间为max((p+t),T)假设p+t>TT2T1t1p1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设p+t<Tp1T2T1t1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5自考操作系统原理--设备管理第50页缓冲池主存中设置一组缓冲区，这一组缓冲区称为缓冲池。缓冲池是公共资源，可供各进程共享，由操作系统统一分配和管理。自考操作系统原理--设备管理第51页缓冲池用户请求读磁盘文件，首先为其分配一个或几个缓冲区，然后开启磁盘将文件读到缓冲区中，当把缓冲区信息传送到工作区后，缓冲区信息保留。用户请求把文件保留在磁盘上时，首先为其分配一个或几个缓冲区，然后把主存中文件信息复制到缓冲区中，不开启磁盘保留该文件。直到缓冲区要被回收时，才写会磁盘---“延迟写”。自考操作系统原理--设备管理第52页虚拟设备操作系统利用共享设备来模拟独占设备工作，而且让每个作业都感觉自己独占设备，操作系统采取这种技术成为“虚拟设备”。自考操作系统原理--设备管理第53页为何要提供虚拟设备独占设备通常采取静态分配方式占有打印机作业，只有一部分时间使用打印机，其余时间即使不用，也不允许其它作业用，不能有效利用设备当系统只配有一台输入机、一台打印机时候，就不能接收两个以上作业同时运行，不利用多道并行独占设备大多是低速设备，作业执行过程中等候时间长而延长了作业执行时间自考操作系统原理--设备管理第54页虚拟设备基本条件硬件条件大容量硬盘中止装置通道软件条件支持多道程序设计自考操作系统原理--设备管理第55页虚拟设备实现原理输入机主存J1J3J2打印机结果输入机主存J1J3J2打印机结果磁盘磁盘自考操作系统原理--设备管理第56页虚拟设备实现技术为了实现虚拟设备，必须在磁盘上划出称为“井”专用空间。输入井：存放作业初始信息输出井：作业执行结果自考操作系统原理--设备管理第57页SPOOLING系统操作系统中实现虚拟设备功效模块是在计算机控制下经过联机外围设备同时操作(simultaneousperipheraloperationonline),简称spooling。自考操作系统原理--设备管理第58页Spooling系统组成输入机主存J1J3J2打印机结果预输入程序缓输出程序J1J2J3输入井J1结果J2结果J3结果输出井井管理读程序井管理写程序自考操作系统原理--设备管理第59页Spooling系统数据结构作业名作业状态文件数其它预输入表位置缓输出表位置A执行B收容作业表输入井中作业状态输入态：正在将作业信息传输到输入井收容态：作业已经存放在输入井中，但还未被选中执行执行态：作业被选中并装入主存执行完成态：作业已执行结束，执行结果在输出井中等候输出自考操作系统原理--设备管理第60页Spooling系统数据结构文件名设备类长度其它文件存放始址F1输入机150第78块F2输入机210第24块预输入表文件名设备类长度其它文件存放始址F1打印机150第200块F2打印机210第216块缓输出表自考操作系统原理--设备管理第61页功效实现作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置输入机J1J3J2预输入程序输入井J1文件名设备类长度文件存放始址F1输入机150第78块F2输入机210第24块J1输入自考操作系统原理--设备管理第62页功效实现主存J1J2J3输入井井管理读程序作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置文件名设备类长度文件存放始址F1输入机150第78块F2输入机210第24块J1收容自考操作系统原理--设备管理第63页功效实现主存J2结果J3结果输出井井管理写程序作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置J1执行文件名设备类长度文件存放始址F1打印机150第200块F2打印机210第216块J1结果自考操作系统原理--设备管理第64页功效实现打印机结果缓输出程序J1结果J2结果J3结果输出井作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置J1完成文件名设备类长度文件存放始址F1打印机150第200块F2打印机210第216块自考操作系统原理--设备管理第65页UNIX设备设备分类块设备：以块为单位和主存交换信息，是用来存放信息设备，块设备也称存放设备。字符设备：以字节为单位与主存交换信息，也称输入/输出设备。UNIX对每一类设备给出一个编号，称为主设备号，每台设备有一个编号，称为次设备号。请求设备工作时，给出主设备号和次设备号。自考操作系统原理--设备管理第66页设备文件UNIX把设备当做文件来对待，每个设备文件有文件名，并对它像文件一样操作。文件名索引节点号printer21#2#3#4#5#索引节点区文件存放区1#2#3#4#5#/dev目录di_mode：字符设备主设备号：2次设备号:3…2#索引节点：自考操作系统原理--设备管理第67页fd=open(“/dev/tty13”,o_RDWR);文件名索引节点号abc5user.h15tty1318不在主存从硬盘读入118/dev目录：i_mode：字符主设备号：1次设备号：2活动索引节点f_flag:o_RDWRf_count:1f_inode:f_offset:0系统打开文件表fd进程打开文件表openclosereadwrite0coopencoclosecoreadcowrite1tyopentyclosetyreadtywrite2dzopendzclosedzreaddzwrite自考操作系统原理--设备管理第68页close(fd);i_mode：字符主设备号：1次设备号：2活动索引节点f_flag:o_RDWRf_count:1f_inode:f_offset:0系统打开文件表fd进程打开文件表openclosereadwrite0coopencoclosecoreadcowrite1tyopentyclosetyreadtywrite2dzopendzclosedzreaddzwrite自考操作系统原理--设备管理第69页UNIX块设备缓冲技术系统设置一批缓冲区，组成缓冲池。读操作(缓冲区信息全部传送至用户区后，内容保留)写操作(推迟写，不得不写时才往磁盘写)I/O设备缓冲区工作区用户进程I/O设备缓冲区工作区用户进程自考操作系统原理--设备管理第70页缓冲区控制块UNIX为磁盘读写操作设置了一组缓冲区。每个缓冲区两部分组成：缓冲区数据区：存放文件信息缓冲区控制块：用于缓冲区管理状态设备号块号指向数据区空闲缓冲队列向前指针设备缓冲队列向前指针空闲缓冲队列向后指针设备缓冲队列向后指针缓冲区控制块自考操作系统原理--设备管理第71页缓冲区队列缓冲区1缓冲区2缓冲区3缓冲区4空闲缓冲区队列缓冲区3缓冲区2缓冲区7缓冲区8缓冲区1缓冲区4缓冲区5缓冲区6设备2缓冲区队列设备1缓冲区队列自考操作系统原理--设备管理第72页队列管理缓冲区1缓冲区2缓冲区3缓冲区4空闲队列缓冲区2缓冲区3缓冲区4空闲队列缓冲区5某设备缓冲队列缓冲区6设备请求分配一个缓冲区某设备缓冲队列缓冲区1Flag：busy缓冲区5缓冲区6自考操作系统原理--设备管理第73页队列管理缓冲区2缓冲区3缓冲区4空闲队列某设备缓冲队列缓