计算机操作系统-第5章 设备管理

第5章设备管理1/14/20241概述I/O系统包括：用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的设备控制器1/14/20242

I/O系统的特点1.I/O性能经常成为系统性能的瓶颈

(3)进程切换多，系统开销大(2)CPU性能越高，与I/O差距越大(1)CPU性能不等于系统性能响应时间也是一个重要因素弥补：更多的进程1/14/202432.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O

外设种类繁多，结构各异输入输出数据信号类型不同速度差异很大1/14/202444.与其他功能联系密切，特别是文件系统1/14/20245设备管理的根本任务完成用户提出的I/O请求提高I/O速率提高I/O设备的利用率1/14/20246设备管理的主要功能缓冲区管理设备管理设备处理虚拟设备实现设备独立性1/14/20247主要内容5.1I/O系统5.6磁盘存储器的管理5.2I/O控制方式5.3缓冲管理5.5设备分配5.4I/O软件1/14/20248本章重点：I/O控制方式；缓冲区引入的原因；设备独立性的定义；磁盘调度算法本章难点：磁盘调度算法本章方案学时：81/14/202495.1I/O系统P160概述I/O系统定义：I/O系统是用于实现数据输入、输出及数据存储的系统。1/14/202410本节主要内容：5.1.1I/O设备5.1.2设备控制器5.1.3I/O通道5.1.4总线系统本节学习目标：掌握从不同角度对I/O设备的分类；了解设备控制器的作用和组成；掌握I/O系统的两种结构，掌握通道的含义返回1/14/2024115.1.1I/O设备1〕按传输速率分类低速设备如键盘、鼠标、语音的输入和输出设备等中速设备高速设备1.I/O设备的类型1/14/202412这种方法可把外部设备分为存储设备和输入/输出〔I/O〕设备。2〕按设备的使用特性分类输入型设备〔外设主机〕输出型设备〔主机外设〕输入输出型设备〔交互型设备〕1/14/202413块设备〔存储型设备〕以数据块为单位存储、传输信息特征：传输速率较高；可寻址；采用DMA方式；字符设备〔输入/输出型设备〕以字符为单位存储、传输信息特征：速率较低；不可寻址；采用中断驱动方式3〕按信息交换的单位分类1/14/202414独占设备在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。〔如打印机，磁带等〕共享设备在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。〔如硬盘〕4〕按设备的共享属性分类1/14/202415虚拟设备1/14/202416系统设备指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备〔如终端、打印机、磁盘机等〕用户设备指在系统生成时，未登记在系统中的非标准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。〔如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备〕5〕按外部设备的附属关系分类1/14/202417缓冲转换器控制逻辑至设备控制器数据信号线状态信号线控制信号线信号数据2.设备与控制器之间的接口I/O设备1/14/202418I/O设备的三条信号线：1〕数据信号线2〕控制信号线3〕状态信号线1/14/2024195.1.2设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口。设备控制器可分为两类:用于控制字符设备的控制器;用于控制块设备的控制器.设备控制器的主要职责：控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。设备控制器可编址。1/14/2024201.设备控制器的根本功能接受和识别命令；数据交换；标识和报告设备的状态；地址识别；数据缓冲；过失控制；1/14/2024212.设备控制器的组成1〕设备控制器与处理机的接口；该接口用于实现CPU与设备控制器之间的通信。共有三类信号线：数据线、地址线和控制线3〕I/O逻辑2〕设备控制器与设备的接口；每个接口中都存在数据、控制和状态三种类型的信号。1/14/2024225.1.3I/O通道1.I/O通道定义：通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入，输出操作可与CPU并行操作。1/14/202423通道与CPU一样有运算和控制逻辑，有累加器和存放器，有自己专门的指令系统，具有向内存直接存取数据的能力。通道由CPU启动，一经启动成功后通道就可以独立于CPU而工作。在通道工作的同时CPU可同时处理其它任务。1/14/202424引入通道的目的：为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力通道与一般处理机的区别通道的指令类型单一；通道没有自己的内存；1/14/2024252.通道类型1)字节多路通道

字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机，终端。以字节为单位交叉传输，当一台传送一个字节后，立即转去为另一台传送字节1/14/2024261/14/2024272)数组选择通道

选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输

当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序

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主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备选择通道1/14/202429

3)成组多路通道

它结合了数组选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令

主要连接高速设备1/14/2024303.“瓶颈〞问题1/14/202431交叉连接1/14/202432CPU存储器磁盘控制器磁盘驱动器打印机控制器打印机其它控制器总线型I/O系统结构5.1.4总线系统1/14/202433总线系统的开展:ISAEISAVESAPCI要求:了解各种总线的带宽/最高传输速率.返回1/14/202434

5.2I/O控制方式P167

5.2.1程序I/O方式返回5.2.4I/O通道控制方式直接存储器访问〔DMA〕I/O控制方式5.2.2中断驱动I/O控制方式本节主要内容：本节学习目标：熟练掌握4种I/O控制方式的名称，掌握中断驱动I/O控制方式和直接存储器访问〔DMA〕I/O控制方式的实现1/14/2024355.2.1程序I/O方式程序I/O方式是指由程序直接控制内存或CPU和外围设备之间进行信息传送的方式。通常又称为“忙—等〞方式或循环测试方式。1/14/202436

5.2.2中断驱动I/O控制方式

〔1〕进程需要数据时，将允许启动和允许中断的控制字写入设备控制状态存放器中，启动该设备进行输入操作。〔2〕该进程放弃处理机，等待输入的完成。操作系统进程调度程序调度其他就绪进程占用处理机。〔3〕当输入完成时，输入设备通过中断请求线向CPU发出中断请求信号。CPU在接收到中断信号之后，转向中断处理程序。1/14/202437〔5〕在以后的某一时刻，操作系统进程调度程序选中提出请求并得到获取数据的进程，该进程从约定的内存特定单元中取出数据继续工作。〔4〕中断处理程序首先保护现场，然后把输入缓冲存放器中的数据传送到某一特定单元中去，同时将等待输入完成的那个进程唤醒，进入就绪状态，最后恢复现场，并返回到被中断的进程继续执行。1/14/202438DMA方式又称直接存储器访问〔DirectMemoryAccess〕方式。其根本思想是在外设和主存之间开辟直接的数据交换通路。DMA方式的特点是：〔1〕数据传送的根本单位是数据块。〔2〕所传送的数据是从设备送内存，或者相反。〔3〕仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需中断CPU，请求干预，整块数据的传送是在DMA控制器控制下完成的。5.2.3直接存储器访问〔DMA〕I/O控制方式1/14/202439DMA方式与中断的主要区别中断方式是在数据缓冲存放区满后，发中断请求，CPU进行中断处理DMA方式那么是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求CPU进行中断处理大大减少了CPU进行中断处理的次数中断方式的数据传送是由CPU控制完成的而DMA方式那么是在DMA控制器的控制下不经过CPU控制完成的1/14/2024405.2.4I/O通道控制方式

通道控制方式与DMA方式相类似，也是一种内存和设备直接进行数据交换的方式。与DMA方式不同的是，在通道控制方式中，数据传送方向、存放数据的内存始址及传送的数据块长度均由一个专门负责输入/输出的硬件——通道来控制。另外，DMA方式每台设备至少需要一个DMA控制器，而通道控制方式中，一个通道可控制多台设备与内存进行数据交换。

返回1/14/202441５.3缓冲管理P171在操作系统中采用缓冲是为了缓解CPU与I/O设备之间速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O设备的并行性。概述1/14/2024425.3.1缓冲的引入本节主要内容：5.3.2单缓冲和双缓冲5.3.3循环缓冲5.3.4缓冲池本节学习目标：熟练掌握引入缓冲的主要原因；了解各种缓冲的实现1/14/2024431、缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾2、减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制3、提高CPU与I/O设备之间的并行性引入缓冲区的原因:5.3.1缓冲的引入1/14/202444例子：假设只有1位缓冲对于速率为9.6Kb/s的数据通信来说，就意味着其中断CPU的频率为：9.6Kb/s即每100um就要中断CPU一次问题：假设采用8位缓冲，中断CPU的频率为多少？中断响应时间为多少？答案：1.2Kb/s;800um1/14/2024451〕硬缓冲：在设备中设置缓冲区，由硬件实现软缓冲：在内存中开辟一个空间，用作缓冲区5.3.2单缓冲和双缓冲缓冲区的设置：2〕单缓冲，双缓冲，循环缓冲，缓冲池3〕通用缓冲，专用缓冲1/14/202446单缓冲是操作系统提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输入/输出数据。1.单缓冲1/14/202447用户进程处理（C）工作区缓冲区传送〔M〕输入〔T〕I/O设备T1M1C1T2M2C2T3M3C3单缓冲工作示意图说明：系统对每一块数据的处理时间表示为：Max(C,T)+M1/14/2024482.双缓冲

解决外设之间并行工作的最简单的方法是设置双缓冲。在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设置两个缓冲区buffer1和buffer2。双缓冲方式和单缓冲方式相比，虽然双缓冲方式能进一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一方式，这是因为在计算机系统中的外设很多，又有大量的输入和输出，同时双缓冲很难匹配设备和CPU的处理速度。因此现代计算机系统中一般使用循环缓冲或缓冲池结构。1/14/2024495.3.3循环缓冲1.循环缓冲的组成1/14/202450图循环缓冲区结构1/14/2024512.循环缓冲区的使用(1)Getbuf过程(2)Releasebuf过程3.进程同步1/14/2024525.3.5缓冲池从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。1．缓冲池的组成缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型：空闲缓冲区、装满输入数据的缓冲区和装满输出数据的缓冲区。四种工作缓冲区:用于收容输入数据的工作缓冲区用于提取输入数据的工作缓冲区用于收容输出数据的工作缓冲区用于提取输出数据的工作缓冲区1/14/202453缓冲区队列1/14/202454缓冲区可以在收容输入、提取输入、收容输出和提取输出四种方式下工作。2．缓冲区的工作方式1/14/202455图5.5缓冲池的工作缓冲区返回首页1/14/2024565.4I/O软件P177概述I/O软件的总体设计目标是高效率和通用性。要做到高效性，就是要确保I/O设备与CPU的并发性，以提高资源的利用率；要做到通用性，是指尽可能地提供简单抽象、清晰而统一的接口，采用统一标准的方法，来管理所有的设备以及所需的I/O操作。1/14/202457本节主要内容：5.4.1I/O软件的设计目标和原那么5.4.2中断处理程序5.4.3设备驱动程序5.4.4设备独立性软件5.4.5用户层的I/O软件1/14/202458本节学习目标：了解I/O软件的设计目标；了解中断处理程序的处理过程；了解设备驱动程序的处理过程；熟练掌握设备独立性的概念；返回1/14/2024595.4.1I/O软件的设计目标和原那么1)与具体设备无关2〕统一命名3〕对错误的处理5〕设备的分配和释放6〕I/O控制方式1/14/202460I/O软件中各层次及其功能如下所述：〔1〕用户层软件〔2〕设备独立性软件〔3〕设备驱动程序〔4〕中断处理程序用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序硬件I/O应答执行I/O操作1/14/202461中断处理程序的处理过程如下：

1．唤醒被阻塞的驱动程序进程2．保护被中断进程的现场3．分析中断原因、转入相应的设备中断处理程序4．进行中断处理5．恢复被中断进程的现场5.4.2中断处理程序1/14/2024625.4.3设备驱动程序1.设备驱动程序的功能〔1〕将接收到的抽象要求转换为具体要求。主要任务：接收上层软件发来的抽象I/O要求，在把它转换为具体要求后，发送给设备控制器，启动设备去执行；也将设备控制器发来的信号传送给上层软件。1/14/202463〔3〕发出I/O命令，启动分配到的I/O设备，完成指定的I/O操作〔5〕对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I/O请求，自动地构成通道程序。〔4〕及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。〔2〕检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。1/14/2024642.设备处理方式(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备的I/O操作。〔2〕在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中所有各类设备的I/O操作。〔3〕不设置专门的设备处理进程，而只为各类设备设置相应的设备处理程序〔模块〕，供用户进程或系统进程调用。1/14/202465

3.设备驱动程序的特点〔1〕驱动程序主要是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个通信和转换程序。〔3〕驱动程序与I/O设备所采用的I/O控制方式紧密相关。〔2〕驱动程序与设备控制器和I/O设备的硬件特性紧密相关，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。1/14/202466〔4〕驱动程序的根本局部已经固化，放在ROM中。〔5〕驱动程序应允许可重入。〔6〕驱动程序不允许系统调用。

3.设备驱动程序的特点1/14/2024674.设备驱动程序的处理过程具体如下:1.将抽象要求转换为具体要求.2.检查I/O请求的合法性不同的设备有不同的设备驱动程序，但设备驱动程序大都可分为两局部，除有能驱动I/O设备工作的驱动程序外，还有设备中断处理I/O完成后的工作程序。1/14/2024683.读出和检查设备的状态4.传送必要的参数5.工作方式的设置6.启动I/O设备1/14/2024695.4.4设备独立性软件1.设备独立性的概念也称设备无关性，其根本含义是：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设备；而系统在实际执行时，是使用物理设备名。1/14/202470好处：1)设备分配时的灵活性2)易于实现I/O重定向所谓I/O重定向，是指用于I/O操作的设备可以更换，即重定向，而不必改变应用程序。1/14/2024712.设备独立性软件设备独立性软件的主要功能：〔1〕执行所有设备的公有操作。包括：对独立设备的分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名，进一步可以找到相应物理设备的驱动程序；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理；过失控制；提供独立于设备的逻辑块〔2〕向用户层〔或文件层〕软件提供统一接口1/14/2024722.逻辑设备名到物理设备名映射的实现1)逻辑设备表LUT逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址/dev/tty/dev/print35102420461/14/2024732)LUT的设置问题〔1〕整个系统设置一张LUT。主要用于单用户系统中。〔2〕为每个用户设置一张LUT。返回1/14/2024745.4.5用户层的I/O软件1/14/2024755.5设备分配P186当某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换概述1/14/202476本节主要内容：5.5.1设备分配中的数据结构5.5.2设备分配时应考虑的因素5.5.3独占设备的分配程序1/14/202477本节学习目标：了解设备分配中的数据结构；掌握设备分配时应考虑的因素；了解独占设备的分配程序；返回1/14/2024785.5.1设备分配中的数据结构设备控制块DCB〔设备控制表DCT〕控制器控制块COCB〔控制器控制表COCT〕通道控制块CHCB〔通道控制表CHCT〕系统设备表SDT1/14/2024791.设备控制表DCT主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、与此设备相连的COCT、重复执行的次数或时间、等待队列的队首和队尾指针1/14/202480DCT1DCT2DCT3DCTn设备控制表集合设备类型：type设备标识符：deviceid设备状态：等待/不等待忙/闲指向控制器表的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针设备控制表1/14/2024812.系统设备表SDT整个系统一张表，记录系统中所有I/O设备的信息，表目包括：设备类型、设备标识符、DCT表指针、设备驱动程序的入口地址等1/14/202482

根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT；继续查找与该设备连接的COCT和CHCT，就找到了一条通路1/14/2024835.5.2设备分配时应考虑的因素*I/O设备的固有属性*I/O设备的分配算法*设备分配时的平安性*与设备的无关性〔设备独立性〕1/14/2024841)独占设备的分配要考虑充分发挥效率，防止由于不合理的分配策略造成死锁静态分配：在进程运行前,完成设备分配；运行结束时，收回设备缺点：设备利用率低1.设备的固有属性1/14/202485

在进程运行过程中，当用户提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回

动态分配：优点：效率好缺点：分配策略不好时,产生死锁1/14/2024862)共享设备分配由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时效劳的顺序，使平均效劳时间越短越好3)可虚拟设备1/14/2024872.设备分配算法1)先来先效劳2)优先级高者优先1/14/2024883.设备分配中的平安性1)平安分配方式在这种分配方式中，每当进程发出I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O完成时才被唤醒。摒弃了“请求和保持〞条件。缺点：进程进展缓慢，即CPU与I/O设备是串行工作的。2)不平安分配方式1/14/2024895.5.3独占设备的分配1.根本的设备分配程序1)分配设备2〕分配控制器3〕分配通道1/14/2024902.设备分配程序的改进设备分配存在的问题：1)进程以物理设备名来提出I/O请求2〕采用的是单通路的I/O系统结构相应的改进：1〕增加设备的独立性2〕考虑多通路情况1/14/2024911.什么是SPOOLing在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，或称为假脱机操作。1/14/2024922.SPOOLing系统的组成1)输入井和输出井2)输入缓冲区和输出缓冲区3)输入进程SPi和输出进程SPo这是在磁盘上开辟的两个大存储空间1/14/202493图假脱机系统的组成1/14/2024943.共享打印机当用户进程请求打印输出时,SPOOLing系统并不真正把打印机分配给它,而是做两件事:(1)由输出进程在输出井中为之申请一个空闲盘块区,并将要打印的数据送入其中;(2)输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表,并将用户的打印请求填入其中,再将该表挂到请求打印队列上.1/14/2024954.SPOOLing系统的特点1)提高了I/O速度2)将独占设备改造为共享设备3)实现了虚拟设备功能返回1/14/2024965.6磁盘存储器的管理P191概述几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从存储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的优点：1.可用的存储容量非常大2.价格非常低3.电源关掉后信息不会丧失1/14/202497磁盘存储器管理的主要任务：为文件分配必要的存储空间，使每个文件能“各得其所〞合理地组织文件的存取方式，以提高对文件的访问速度提高磁盘存储空间的利用率提高对磁盘的I/O速度，以改善文件系统的性能采取必要的冗余措施，来确保文件系统的可靠性1/14/202498本节主要内容：5.6.1磁盘性能简述5.6.2磁盘调度5.6.3磁盘高速缓存5.6.4提高磁盘I/O速度的其它方法5.6.5廉价磁盘冗余阵列1/14/202499本节学习目标：了解磁盘的访问时间；熟练掌握常用的磁盘调度算法：SSTF、SCAN、CSCAN；了解其它的磁盘调度算法；掌握提高磁盘I/O速度的方法；了解廉价磁盘冗余阵列返回1/14/20241005.6.1磁盘性能简介1.数据的组织和格式磁盘驱动器的结构1/14/20241012.磁盘的类型1)固定头磁盘2)移动头磁盘1/14/20241023.磁盘访问时间1)寻道时间Ts把磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。表示为：Ts=m*n+s其中：m为常数，与磁盘驱动器的速度有关磁盘启动时间约为3ms。2)旋转延迟时间Tr是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。1/14/20241033)传输时间Tt是指把数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间，Tr的大小与每次所读/写的字节数b及旋转速度有关。1/14/20241045.6.2磁盘调度磁盘调度的目标是使磁盘的平均寻道时间最少。常用的磁盘调度算法：先来先效劳、最短寻道时间优先、扫描算法和循环扫描算法。1.FCFS根本思想：根据进程请求访问磁盘的先后次序进行调度。优点：公平，简单缺点：未对寻道时间进行优化1/14/2024105FCFS调度过程演示访盘序列：5558391890160150当前磁道号：100被访问的下一个磁道号移动距离〔磁道数〕555839189016015045319217270101/14/20241062.最短寻道时间优先(SSTF)思想：该算法选择这样的进程，其要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近，以使每次的寻道时间最短。但这种算法却不能保证平均寻道时间最短。1/14/2024107SSTF调度过程演示访盘序列：5558391890160150当前磁道号：100被访问的下一个磁道号移动距离〔磁道数〕9058553918150160103231421132101/14/2024108被访问的下一个磁道号移动距离5558391890160150381844531921727010112146当前磁道100FCFS调度算法例如被访问的下一个磁道号移动距离90585539381815016018410323161201321024SSTF调度算法例如平均寻道长度：55.3平均寻道长度：27.51/14/2024109也可这样表示访盘序列：FCFS:555839189016015038184100905855393818150160184100SSTF:1/14/20241103.扫描(SCAN)算法1)进程“饥饿〞现象2)SCAN算法该算法不仅考虑到欲访问的磁道与当前磁道的距离，更优先考虑的是磁头的当前移动方向。1/14/2024111SCAN调度过程演示访盘序列：5558391890160150当前磁道号：100被访问的下一个磁道号移动距离〔磁道数〕15016090585539185010703231621向磁道号增加方向访问1/14/202411