《操作系统原理及应用Linux》设备管理PPT课件

1、第六章设备管理，学习目标输入输出设备是计算机系统的重要组成部分。随着计算机技术的发展和计算机应用的普及，输入输出设备越来越多样化、复杂化和智能化。由于I/O设备种类繁多，它们的特性和操作模式也大不相同，这使得设备管理成为操作系统中最复杂的部分，也是与硬件联系最紧密的部分。通过本章的学习，读者应该掌握以下内容：数据传输模式中断技术缓冲技术设备分配技术设备独立设备驱动程序第六章设备管理1，2教学内容6.1输入输出系统的组成6.2数据传输控制模式6.3中断技术6.4缓冲技术6.5设备分配6.6假脱机系统6.7输入输出控制过程6.8磁盘输入输出6.9 Linux系统设备管理本章小结6.1输入输出系统的

2、组成，它是计算机中数据输入输出的一个子系统它包括输入/输出设备和对应于每个设备的设备控制器。在大中型计算机中，也配置了输入/输出通道。第6章，设备管理，3，6.1.1输入/输出设备。设备可以从不同的角度进行不同的分类。1.按使用特性分类(1)存储设备(2)输入/输出设备(2)低速设备(2)中速设备(3)高速设备(3)信息传输单元(1)块设备(2)字符设备(4)资源分配方法(1)专用设备(2)共享设备(3) 6.1.2设备控制器是中央处理器和输入/输出设备之间的接口，接收中央处理器的命令，控制输入/输出设备工作，并向中央处理器发送中断信号。1.设备控制器的功能(1)接收和识别来自中央处理器的命令

3、(2)数据传输(3)记录设备状态(4)识别设备地址和寄存器地址(5)错误控制，第6章设备管理，5，2。设备控制器的组成，第6章设备管理，6，寄存器，6.1.3输入/输出通道，I该通道相当于一个协处理器，类似于以前的微型计算机中配置的数学协处理器。一个通道有自己的一套简单的指令系统，可以组成一个通道程序，通过独立执行通道程序来完成中央处理器传递的输入输出操作。第六章设备管理，7.6.2数据传输控制模式，6.2.1程序直接控制模式，也称为“忙”模式或循环测试模式。具体来说，当在存储器和输入/输出设备之间传输信息时，中央处理器向相应的设备控制器发送命令，设备控制器控制输入/输出设备执行实际操作。当输

4、入输出设备工作时，中央处理器执行循环测试程序，连续测试输入输出设备“忙”的完成状态，以决定是否继续传输下一个数据。如果设备没有完成数据传输，继续测试；如果设备已经完成该数据传输，继续下一次数据传输或继续执行程序。第6章，设备管理和8，6.2.2中断控制模式。当主机和输入输出设备之间需要传输信息时，中央处理器向相应的设备控制器发送命令，设备控制器控制输入输出设备进行实际操作。每次的数据传输单位是设备控制器的数据缓冲寄存器的容量。当输入输出设备工作时，相应的进程放弃处理器并处于等待状态，操作系统调度其他准备好的进程来占用中央处理器。当输入/输出操作完成时，设备控制器向中央处理器发送中断信号，通知中

5、央处理器输入/输出操作已完成，然后中央处理器执行中断处理程序作出相应响应。中断处理过程一般如下：第一，保护现场；然后唤醒进程，等待输入输出操作进入就绪状态；然后转向流程调度。第6章，设备管理，9，6.2.3直接存储器存取模式。介绍理由：减少中断次数，提高CPU利用率。减少中断次数有两种方法：(1)增加数据缓冲寄存器的容量。(2)为批量数据传输另外配置数据传输控制设备。直接存储器存取模式的数据传输单元是数据块，只有当数据块传输结束时，中断信号才会发送给中央处理器，从而减少了中断次数。在第6章，设备管理，10，6.2.4通道控制模式中，为了提高计算机系统的运行效率，有必要使中央处理器摆脱繁忙的输入

6、输出事务，并配置专门处理输入输出事务的机构通道。通道是一种专用于输入/输出操作的处理器，它接受来自主机的命令，独立执行通道程序，控制外部设备的输入/输出操作，并在内存和外设之间直接传输数据。当主机发送的输入输出任务完成后，通道向中央处理器发送一个中断信号，请求中央处理器进行处理。第六章设备管理，11，6.3中断技术，6.3.1中断概念所谓的中断是指当处理器执行一个进程时，由于某些事件的发生，它暂停当前进程的运行，而是处理发生的事件，并返回到中断的地方继续执行或调度其他进程执行。第6章，设备管理，12，6.3.2中断源，导致中断的事件称为中断源。计算机中的中断源有很多种，大致可以分为：1 .强制

7、中断源(1)硬件故障，如电源故障、主存储器故障等。(2)由执行机器指令引起的程序错误，如除数为零、操作数溢出、非法指令、目标状态下使用的特权指令、地址越界等。(3)外部事件时钟中断、重启中断等。(4)输入输出中断事件外围设备完成输入输出操作或输入输出操作出错，如打印完成、缺纸打印等。2.自愿中断源是指执行访问命令以请求操作系统服务的过程，如请求分配外设、请求输入输出等。由访问命令引起的中断称为访问中断。第6章，设备管理，13，6.3.3中断响应。中断源向中央处理器发送请求中断处理的信号，这被称为中断请求。当中央处理单元发现中断请求信号时，暂停当前程序的执行并自动进入相应的中断处理程序的过程称为

8、中断响应。中断响应由硬件中断机制完成。第6章，设备管理，第14章，中断响应过程：(1)保护中断过程的现场。为了将来从断点继续执行中断的进程，系统必须保存当前程序状态字PSW和程序计数器PC的值。(2)分析中断原因，并转移到相应的中断处理子程序。只要中断处理程序的入口地址被发送到程序计数器，程序状态字被发送到程序状态字寄存器，中断处理程序就被传送。第6章，设备管理，15，6.4缓冲技术，6.4.1缓冲技术介绍引入缓冲技术的原因是：(1)减少读取块设备的次数，(2)减少对中央处理器的中断次数，放宽中断响应时间的限制。(3)它用作不能直接通信的设备之间的中继站。(4)解决了程序请求的逻辑记录大小与设

9、备的物理记录大小不匹配的问题。(5)加快进程(作业)的推进速度当需要采用缓冲技术时，可以采用以下不同的缓冲技术：单缓冲、双缓冲、循环缓冲和缓冲池。第6章，设备管理，16，6.4.2单一缓冲器。在单缓冲区模式下，当用户进程发出输入/输出请求时，操作系统会在内存中为其分配一个缓冲区。数据输入的过程如下：当用户进程请求输入数据时，操作系统控制输入设备将数据发送到缓冲区存储，然后发送到用户进程的数据存储区。第6章，设备管理，17，6.4.3双缓冲器，设置两个缓冲器，缓冲器1和缓冲器2，用于输入或输出操作。当进程需要数据输入时，首先输入设备将数据发送到缓冲区缓存器1，然后进程从缓存器1中取出数据进行处理

10、；当进程从缓冲区1获取数据时，输入设备可以向缓冲区2发送数据。当缓冲器1中的数据完成时，该过程可以从缓冲器2中提取数据而无需等待，并且输入设备可以发送数据在第6章，设备管理，18，6.4.4循环缓冲中，循环缓冲技术是在内存中分配大小相等的存储区域作为缓冲区，并将这些缓冲区连接起来。每个缓冲区都有一个指向下一个缓冲区的指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲区。第6章，设备管理，19，6.4.5缓冲池，上述缓冲机制是特定的，当系统较大时，会有很多这样的缓冲结构，不仅消耗大量的内存空间，而且利用率也很低。为了提高缓冲区的利用率，目前广泛使用的是公共缓冲池结构，在缓冲池中设置一个由多个并发进程共享的

11、缓冲区。第六章设备管理，20，6.5设备配置，6.5.1与设备配置相关的因素1。输入输出设备专用设备的固有属性：在被分配给一个过程之后，该设备将被该过程专用，并且在该过程被使用(不再使用)之后被主动释放之前，其他过程不能使用它。共享设备：可由多个进程交替使用的设备。例如磁盘驱动器。第6章，设备管理，21，2。输入/输出设备分配算法，(1)先来先服务算法，对于同一设备，当输入/输出请求在并发进程中发出时，输入/输出请求块按照时间顺序排队。当一个设备可用(可以分配)时，该设备被分配给与队列头元素相对应的进程，即首先为此设备发出输入/输出请求的进程。(2)优先级算法根据一定的原则设置进程的优先级，并

12、按照从高优先级到低优先级的顺序为每个并发进程将同一设备的输入/输出请求块排队。当设备可用(可以分配)时，设备被分配给并发进程中优先级最高的进程，并发进程向同一设备请求输入/输出。第6章，设备管理，22，3。设备分配的安全性，专用设备的静态分配不会造成死锁。当动态分配共享设备时，从系统安全性的角度来看，有两种分配方法。(1)安全分配模式(2)不安全分配模式，第六章设备管理，23，4。设备独立性是指当某一类型的设备在应用程序中使用时，它不直接指定使用哪一种设备，而只指定使用哪一种设备，操作系统将为该过程分配一种特定类型的设备。6.5.2虚拟设备技术，它使用共享设备高速存储设备(如高速磁盘驱动器)上

13、的存储区域来模拟专用设备。虚拟设备技术的关键是预输入和慢输出。预输入：作业执行前，操作系统将作业信息从专用设备预输入高速外部存储器。此后，专用输入设备在作业执行中不再被占用，并且数据不需要从专用设备输入，而是从高速外部存储器读取。慢速输出：在作业执行过程中，当需要输出操作时，不需要直接启动专用设备输出数据，但作业输出数据可以先写入高速外部存储器，作业执行完成后，操作系统组织信息输出。第6章，设备管理，24，6.6假脱机系统，6.6.1什么是假脱机系统假脱机(同时外围设备在线操作)是指外围设备同时在线操作，也称为假脱机操作。它不需要配置卫星机，而是将输入和输出设备同时连接到主机。它是离线输入和输

14、出的模拟。离线输入时用输入程序模拟卫星机，低速设备上的数据通过通道传输到高速磁盘；使用另一个程序来模拟卫星机的离线输出，数据通过通道从磁盘传输到低速输出设备。第6章设备管理，25 . 6 . 6 . 2假脱机系统的组成，第6章设备管理，和26 . 6 . 7输入/输出控制过程。当用户进程通过系统调用发出输入/输出请求时，从系统响应该请求开始，直到系统完成用户所需的输入/输出操作，并唤醒相应的进程等待输入/输出完成，整个过程称为输入/输出。输入/输出控制过程包括以下步骤：(1)响应输入/输出请求，为特定物理设备上的输入/输出操作做准备。包括将逻辑设备名称转换为物理设备名称(设备分配)、输入/输出

15、请求的合法性等。(2)设备驱动程序，控制设备完成输入输出操作，并为每种类型的设备设置不同的设备驱动程序。(3)中断处理：输入输出操作完成后，设备控制器向中央处理器发送中断信号，中央处理器响应后，转向相应的中断处理程序进行善后处理。第六章设备管理，27，6.8磁盘输入/输出，6.8.1磁盘存储格式磁盘可以包含一个或多个圆形磁盘，每个磁盘都有两面。首先将每个表面分成几个半径不同的同心轨迹，然后将每个轨迹平均分成几个扇区。尽管每个磁道的周长不同，但存储容量是相同的，每个扇区的存储容量也是相同的。一般来说，每个扇区的容量是512字节，并且内部磁道的存储密度高于外部磁道。磁盘存储空间分配以整数N个扇区为

16、单位，称为簇。在不同的操作系统中，N可以有不同的值。这样的文件占用磁盘上整数个簇，一个簇只能分配给一个文件。磁盘输入/输出在扇区中一次传输一个扇区。第六章设备管理，28，6.8.2磁盘输入/输出性能，通常通过磁盘访问速度来衡量。存取磁盘有三个步骤：首先，磁头径向移动到指定的磁道，然后磁盘旋转，要存取的指定扇区旋转到磁头下方，使磁头位于扇区的开头，然后读或写数据。因此，磁盘访问时间可以分为以下三个部分。(1)寻道时间Ts这是将磁头移动到指定磁道所需的时间。(2)旋转延迟Tr这是指定扇区在磁头下旋转所需的时间。第六章设备管理，29，(3)传输时间Tt这是指从磁盘读取数据或向磁盘写入数据所需的时间。

17、它由读取和写入的字节数以及磁盘旋转速度决定。其中b是一次读取和写入的字节数，r是磁盘每秒的转数，n是每个磁道的字节数，对磁盘的访问时间是三部分之和：T=Ts Tr Tt。在这三次中，寻道时间和旋转延迟与读写字节数无关，寻道时间占最大比例。第6章，设备管理，30，6.8.3磁盘调度，1。先来先服务算法该调度算法根据进程请求访问磁盘的时间顺序进行调度。该算法的优点是简单、公平，每个进程的磁盘输入输出请求可以依次处理，使得某个进程的请求长期得不到满足。缺点是寻道没有优化，平均寻道时间较长。第6章，设备管理，31，2。最短寻道时间优先算法。该算法选择要访问的磁道离当前磁头所在的磁道最近的磁盘输入输出请求，使每次寻道时间最短。该算法只从当前的角度考虑，没有考虑全局。从表面上看，平均寻道时间应该最短，但不一定。第6章设备管理，32，3。扫描算法，它不仅考虑要访问的磁道和当前磁道之间的距离，而且优先考虑磁头的当前移动方向。例如，当磁头从