設備管理培訓課件 一零

第五章

設備管理

5.1設備管理的任務及功能5.2I/O系統(tǒng)的組成5.3I/O控制方式5.4緩沖管理5.5設備分配與設備處理

5.6磁盤調度算法

1.I/O性能經常成為系統(tǒng)性能的瓶頸

I/O的特點2.操作系統(tǒng)龐大復雜的原因之一是：資源多、雜，并發(fā)，均來自I/O

外設種類繁多，結構各異輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同速度差異很大3.理解I/O的工作過程與結構是理解操作系統(tǒng)的工作過程與結構的關鍵4.與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng)1）按照用戶的請求，控制設備的各種操作，完成I/O設備與內存之間的數(shù)據(jù)交換（包括設備分配與回收；設備驅動程序；設備中斷處理；緩沖區(qū)管理），最終完成用戶的I/O請求5.1設備管理的目標和任務2）向用戶提供使用外部設備的方便接口，使用戶擺脫繁瑣的編程負擔方便性友好界面透明性

邏輯設備與物理設備、屏蔽硬件細節(jié)（設備的物理細節(jié)，錯誤處理，不同I/O的差異性）3）充分利用各種技術（通道，中斷，緩沖等）提高CPU與設備、設備與設備之間的并行工作能力，充分利用資源，提高資源利用率(并行性、均衡性）設備管理的目標和任務(續(xù)）4）保證在多道程序環(huán)境下，當多個進程競爭使用設備時，按一定策略分配和管理各種設備，使系統(tǒng)能有條不紊的工作5）保護設備傳送或管理的數(shù)據(jù)應該是安全的、不被破壞的、保密的設備管理的目標和任務(續(xù)）6）與設備無關性（設備獨立性）用戶在編制程序時，使用邏輯設備名，由系統(tǒng)實現(xiàn)從邏輯設備到物理設備的轉換用戶能獨立于具體物理設備而方便的使用設備用戶申請使用設備時，只需要指定設備類型，而無須指定具體物理設備，系統(tǒng)根據(jù)當前的請求，及設備分配的情況，在相同類別設備中，選擇一個空閑設備，并將其分配給一個申請進程設備管理的目標和任務(續(xù)）（1）緩沖管理（2）設備分配（3）設備處理（4）設備獨立性和虛擬設備。設備管理的功能1、按數(shù)據(jù)傳輸速率分高速設備 低速設備2.按信息交換的單位分塊設備以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息字符設備以字符為單位存儲、傳輸信息5.2.1設備的分類1)獨占設備在一段時間內只能有一個進程使用的設備，一般為低速I/O設備。（如打印機，磁帶等）2)共享設備在一段時間內可有多個進程共同使用的設備，多個進程以交叉的方式來使用設備，其資源利用率高。（如硬盤）3)虛擬設備3.按設備的共享屬性分4、按使用用特性分存儲型設備備輸入型設備備（外設主機）輸出型設備備（主機外設）輸入輸出型型設備（交交互型設備備）系統(tǒng)設備指操作系統(tǒng)統(tǒng)生成時，，登記在系系統(tǒng)中的標標準設備（如終端、、打印機、、磁盤機等等）用戶設備指在系統(tǒng)生生成時，未未登記在系系統(tǒng)中的非非標準設備備。對于這這類設備的的處理程序序由用戶提提供，并將將其納入系系統(tǒng)，由系系統(tǒng)代替用用戶實施管管理。（如A/D，D/A轉換器，，CAD專專用設備））5.按外部設備備的從屬關關系分6、從程序序使用角度度分邏輯設備物理設備設備的分類類（續(xù))圖5-1總線型型I/O系系統(tǒng)結構5.2.2設備與控控制器之間間的接口設備與控制制器間的接接口設備控制器器是CPU與I/O設備之間間的接口，，它接收從CPU發(fā)來來的命令，，并去控制制I/O設設備工作，，使處理機機從繁雜的的設備控制制事務中解解脫出來。。5.2.3設備控制制器設備控制器器的基本功功能接收和識別別命令2)數(shù)據(jù)據(jù)交換3)標識識和報告設設備的狀態(tài)態(tài)4)地址址識別2、設備控控制器的組組成設備控制器器的組成5.2.4I/O通通道引入通道使使原來由cpu處理理的I/O任務轉由由通道來承承擔，從而而把cpu從繁雜的的I/O任任務中解脫脫出來。I/O通道道是一種特特殊的處理理機。它具具有執(zhí)行I/O指令令的能力，，并通過執(zhí)執(zhí)行通道(I/O)程序來控控制I/O操作。I/O通道道又與一般般的處理機機不同，主主要表現(xiàn)在在以下兩個個方面：一是其指令令類型單一一，這是由由于通道硬硬件比較簡簡單，其其所能執(zhí)行行的命令，，主要局限限于與I/O操作有有關的指令令；再就是通道道沒有自己己的內存，，通道所執(zhí)執(zhí)行的通道道程序是放放在主機的的內存中的的，換言言之，是通通道與CPU共享內內存。5.3I/O控制方方式CPU與I/O設備備之間數(shù)據(jù)據(jù)傳送控制制方式程序直接控控制中斷控制方方式DMA通道I/O控制制的發(fā)展，，宗旨：盡量減少主機對對I/O控控制的干預預，把主機從從繁雜的I/O控制制事務中解解脫出來，，以更多地地去完成數(shù)數(shù)據(jù)處理任任務。特點：用戶戶程序直接控制數(shù)數(shù)據(jù)交換；；Cpu循環(huán)環(huán)測試設備備狀態(tài)，cpu浪費費特點：減少少CPU等待時間，，提高系統(tǒng)并行程程度。每輸入完一一個數(shù)據(jù)需要CPU處理。特點：(1)數(shù)據(jù)傳傳輸單位是是數(shù)據(jù)塊（2）傳送送數(shù)據(jù)直接接從設備到內存存（3）僅在在傳送一個個或多個數(shù)據(jù)塊開開始和結束束時才需cpu干預通道控制方方式當CPU要要完成一組組相關的讀讀(或寫)操作及有有關控制時時，只需向向I/O通通道發(fā)送一一條I/O指令，以以給出其所所要執(zhí)行的的通道程序的首址和要要訪問的I/O設備備，通道接接到該指令令后，通過過執(zhí)行通道道程序便可可完成CPU指定的的I/O任任務。通道程序通道指令：：（1）操作作碼（2）內存存地址（3）計數(shù)數(shù)（4）通道道程序結束束位P。（5）記錄錄結束標志志R。通道程序示示例操作PR計數(shù)內存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE11250720指令令的的執(zhí)執(zhí)行行周周期期:開始始讀入入下下一條條指指令令執(zhí)行行當當前前指令令結束束具有有中中斷斷處處理理時時的的指指令令執(zhí)執(zhí)行行周周期期讀入入下下一條條指指令令執(zhí)行行當當前前指令令結束束開始始允許許中斷斷嗎嗎?N檢查查中斷斷位位讀入入中中斷斷處理理指指令令Y從用用戶戶角角度度看看中中斷斷中斷斷:處處理理機機暫暫停停正正在在執(zhí)執(zhí)行行的的程程序序,轉轉去去處處理理相相應應的的緊緊急急事事件件,待待處處理理完完畢畢后后再再返返回回原原處處繼繼續(xù)續(xù)執(zhí)執(zhí)行行.CPU對對系系統(tǒng)統(tǒng)發(fā)發(fā)生生的的某某個個事事件件作作出出的的一一種種反反應應1.緩緩沖沖技技術術的的引引入入緩和和CPU與與I/O設設備備間間速速度度不不匹匹配配的的矛矛盾盾。。減少少對對CPU的的中中斷斷頻頻率率，，放放寬寬對對CPU中中斷斷響響應應時時間間的的限限制制。。提高高CPU和和I/O設設備備之之間間的的并并行行性性。。5.4.緩沖沖管管理理利用用緩緩沖沖寄寄存存器器實實現(xiàn)現(xiàn)緩緩沖沖硬緩緩沖沖：：在設設備備中中設設置置緩緩沖沖區(qū)區(qū)，，由由硬硬件件實實現(xiàn)現(xiàn)軟緩緩沖沖：：在內內存存中中開開辟辟一一個個空空間間，，用用作作緩緩沖沖區(qū)區(qū)2.緩緩沖區(qū)設設置3.幾幾種緩沖沖技術1)單緩緩沖2)雙緩緩沖3)多緩緩沖：4)緩沖沖池。緩緩沖池為為多個設設備共享享，設備備需要時時才接上上，用完完歸還。。1.單單緩沖(SingleBuffer)單緩沖工工作示意意圖每當一個個用戶進進程發(fā)出出一I/O請求求時，操作系統(tǒng)統(tǒng)便在主主存中為為之分配配一緩沖沖區(qū)2.雙雙緩沖(DoubleBuffer)雙緩沖工工作示意意圖雙緩沖（（a）雙緩沖（（b）雙機通信信時緩沖沖區(qū)的設設置3循環(huán)環(huán)緩沖1)循循環(huán)緩沖沖的組成成R：空緩緩沖區(qū)G：裝滿滿數(shù)據(jù)的的緩沖區(qū)區(qū)C：現(xiàn)行行工作緩緩沖區(qū)多個指針針：nextg,nexti,current2)循循環(huán)緩沖沖區(qū)的使使用Getbuf過過程:計算進進程或輸輸入進程程使用緩沖沖區(qū)。(2)Releasebuf過程程。4緩緩沖池(BufferPool)1)緩緩沖池的的組成對于既可可用于輸輸入又可可用于輸輸出的公公用緩沖沖池，其其中至至少應含含有以下下三種類型型的緩沖沖區(qū)：①空(閑)緩緩沖區(qū)；；②裝滿滿輸入數(shù)數(shù)據(jù)的緩緩沖區(qū)；；③裝滿滿輸出數(shù)數(shù)據(jù)的緩緩沖區(qū)。。為了了管理上上的方便便，可將將相同類類型的緩緩沖區(qū)鏈鏈成一個個隊列，，于是可可形成以以下三個個隊列：：（1）空空緩沖隊隊列emq。(2)輸輸入入隊列inq。。(3)輸輸出隊隊列outq。。四種工工作緩緩沖區(qū)區(qū):hin收收容容輸入入sin提提取輸輸入sout提提取取輸出出hout收收容容輸出出2.Getbuf過程程和Putbuf過過程ProcedureGetbuf(type)beginWait(RS(type));Wait(MS(type));B(number)=Takebuf(type);Signal(MS(type));endProcedurePutbuf(type,number)beginWait(MS(type));Addbuf(type,number);Signal(MS(type));Signal(RS(type));end3.緩緩沖沖區(qū)的的工作作方式式圖5-13緩緩沖沖區(qū)的的工作作方式式5.5設設備備分分配配5.5.1設設備分分配中中的數(shù)數(shù)據(jù)結結構當某進進程向向系統(tǒng)統(tǒng)提出出I/O請請求時時，設設備分分配程程序按按一定定策略略分配配設備備、控控制器器和通通道，，形成成一條條數(shù)據(jù)據(jù)傳輸輸通路路，以以供主主機和和設備備間信信息交交換設備控制表（ＤＣＴ）每個設備一個控制器表（ＣＯＣＴ）每個控制器一個通道表（ＣＭＣＴ）每個通道一個系統(tǒng)設備表（ＳＤＴ）整個系統(tǒng)一個圖5-14設設備備控制制表1.設設備備控制制表DCT2.控控制制器控控制表表、通通道道控制制表和和系統(tǒng)統(tǒng)設備備表圖5-15COCT、CHCT和SDT表5.5.2設設備備分配配時應應考慮慮的因因素1.設設備備的固固有屬屬性獨享設設備。。(2)共共享設設備。。(3)虛虛擬設設備。。2.設設備備分配配算法法先來先先服務務。(2)優(yōu)優(yōu)先級級高者者優(yōu)先先。3.設設備備分配配中的的安全全性安全分分配方方式2)不不安安全分分配方方式5.5.3獨獨占設設備的的分配配程序序基本的設備備分配程序序對于具有通通道的系統(tǒng)統(tǒng):根據(jù)用戶請請求的I/O設備的的邏輯名，，查找邏輯輯設備和物物理設備的的映射表；；以物理設設備為索引引，查找SDT，找找到該設備備所連接的的DCT；；繼續(xù)查找找與該設備備連接的COCT和和CHCT，就找到到了一條通通路。即：：分配設備－－>分配配控制器->分配通通道為進程P分分配所需的的I/O設設備從SDT表表查該類設設備的控制制表DCT由DCT檢檢查該設備備忙否?不忙檢查分配此此設備的安安全性?不安全分配此設備備給進程P查此設備連連接的COCT忙否否?不忙不忙分配此控制制器給進程程P查此控制器器連接的CHCT忙忙否?最后一個DCT?分配此通道道給進程P啟動I/O,進行具具體的I/O操作忙進程P的PCB放入入此設備的等等待隊列YN忙最后一個COCT?最后一個DCT?進程P的的PCB放入入此控制器的的等待隊列列YNY忙最后一個CHCT?Y最后一個COCT?進程P的的PCB放入入此通道的等等待隊列NYNN多通路設備備分配流程程示意圖2.設備備分配程序序的改進增加設備的的獨立性2)考慮慮多通路情情況5.6設設備處理(1)接接收由I/O進程發(fā)發(fā)來的命令令和參數(shù)，，并將命令令中的抽象象要求轉換換為具體要要求，例如如，將磁盤盤塊號轉換換為磁盤的的盤面、磁磁道號及及扇區(qū)號。。(2)檢檢查用戶I/O請求求的合法性性，了解I/O設備備的狀態(tài)，，傳遞有關關參數(shù)，設設置設備的的工作方式式。1.設備備驅動程序序的功能和和特點1)設備備驅動程序序的功能(3)發(fā)發(fā)出I/O命令，如如果設備空空閑，便立立即啟動I/O設備備去完成指指定的I/O操作；；如果設備備處于忙碌碌狀態(tài)，則則將請求者者的請求塊塊掛在設備備隊列上等等待。(4)及及時響應由由控制器或或通道發(fā)來來的中斷請請求，并根根據(jù)其中斷斷類型調用用相應的中中斷處理程程序進行處處理。(5)對對于設置有有通道的計計算機系統(tǒng)統(tǒng)，驅動程程序還應能能夠根據(jù)用用戶的I/O請求，，自動地構構成通道程程序。2)設備備處理方式式(1)為為每一類設設備設置一一個進程，，專門用于于執(zhí)行這類類設備的I/O操作作。(2)在在整個系統(tǒng)統(tǒng)中設置一一個I/O進程，專專門用于執(zhí)執(zhí)行系統(tǒng)中中所有各類類設備的I/O操作作。(3)不不設置專門門的設備處處理進程，，而只為各各類設備設設置相應的的設備處理理程序(模模塊)，供供用戶進程程或系統(tǒng)進進程調用。。3)設備備驅動程序序的特點(1)驅驅動程序主主要是指在在請求I/O的進程程與設備控控制器之間間的一個通通信和轉換換程序。(2)驅驅動程序與與設備控制制器和I/O設備的的硬件特性性緊密相關關，因而對對不同類型型的設備應應配置不同同的驅動程程序。(3)驅驅動程序與與I/O設設備所采用用的I/O控制方式式緊密相關關。(4)由由于驅動程程序與硬件件緊密相關關，因而其其中的一部部分必須用用匯編語言言書寫。2.設設備驅驅動程序序的處理理過程將抽象要要求轉換換為具體體要求2.檢檢查I/O請求求的合法法性3.讀讀出和檢檢查設備備的狀態(tài)態(tài)4.傳傳送必要要的參數(shù)數(shù)5.工工作方式式的設置置6.啟啟動I/O設備備中斷處理理流程（1）用用戶進程程層執(zhí)行行輸入輸輸出系統(tǒng)統(tǒng)調用，，對I／／O數(shù)據(jù)據(jù)進行格格式化，，為假脫脫機輸入入／輸出出作準備備（2）獨獨立于設設備的軟軟件實現(xiàn)現(xiàn)設備的的命名、、設備的的保護、、成塊處處理、緩緩沖技術術和設備備分配（3）設備備驅動程程序設置置設備寄寄存器、、檢查設設備的執(zhí)執(zhí)行狀態(tài)態(tài)（4）中中斷處理理程序負負責I／／O完成成時，喚喚醒設備備驅動程程序進程程，進行行中斷處處理（5）硬硬件層實實現(xiàn)物理理I／O的操作作5.7SPOOLing技技術虛擬性是是OS的的四大特特征之一一。在聯(lián)機情情況下實實現(xiàn)的同同時外圍圍操作稱稱為SPOOLing(SimultaneausPeriphernalOperatingOn-Line)，，或稱為為假脫機機操作。。是對脫機機輸入、、輸出系系統(tǒng)的模模擬。SPOOLing系統(tǒng)統(tǒng)的組成成圖5-19SPOOLing系系統(tǒng)的組成共享打印機當用戶進程請請求打印輸出出時，SPOOLing系統(tǒng)同意意為它打印輸輸出，但并并不真正立即即把打印機分分配給該用戶戶進程，而而只為它做兩兩件事：①由輸出進進程在輸出井井中為之申請請一個空閑磁磁盤塊區(qū)，并并將要打印印的數(shù)據(jù)送入入其中；②輸出進程程再為用戶進進程申請一張張空白的用戶戶請求打印表表，并將用戶戶的打印要求求填入其中，，再將該表表掛到請求打打印隊列上。。SPOOLing系統(tǒng)的的特點提高了I/O的速度。(2)將獨獨占設備改造造為共享設備備。(3)實現(xiàn)現(xiàn)了虛擬設備備功能。小結:1.掌握設備備的類型；設設備控制器是是CPU與I/O設備之之間的接口，，設備控制器器的作用。2、掌握I/O控制方式式：程序I/O、中斷驅驅動控制、DMA、通道道控制。3、了解引入入緩沖技術的的原因，常用用的緩沖技術術，重點掌握握緩沖池。4、設備分配配的過程、設設備驅動程序序的功能和處處理過程，SPOOLing技術。。練習：1。利用通道道實現(xiàn)（））之間數(shù)數(shù)據(jù)的快速傳傳輸：A。CPU和外設B。內內存和CPUC。內存和外外設D。外設設和外設5.6磁盤調調度算法當有多個進程程請求訪問磁磁盤時,采用用一種合適的的磁盤調度算算法,使各進進程對磁盤的的平均訪問(主要是尋道)時間最小。。1）先來先服服務（FCFS）先來先服務調調度算法是按按請求訪問者者的先后次序序啟動磁盤驅驅動器，而不不考慮它們要要訪問的物理理位置。被訪問的下一個磁道號移動距離