計算機操作系統(tǒng)-第5章 設(shè)備管理

第5章設(shè)備管理1/14/20241概述I/O系統(tǒng)包括：用于實現(xiàn)信息輸入、輸出和存儲功能的設(shè)備和相應(yīng)的設(shè)備控制器1/14/20242

I/O系統(tǒng)的特點1.I/O性能經(jīng)常成為系統(tǒng)性能的瓶頸

(3)進(jìn)程切換多，系統(tǒng)開銷大(2)CPU性能越高，與I/O差距越大(1)CPU性能不等于系統(tǒng)性能響應(yīng)時間也是一個重要因素彌補：更多的進(jìn)程1/14/202432.操作系統(tǒng)龐大復(fù)雜的原因之一是：資源多、雜，并發(fā)，均來自I/O

外設(shè)種類繁多，結(jié)構(gòu)各異輸入輸出數(shù)據(jù)信號類型不同速度差異很大1/14/202444.與其他功能聯(lián)系密切，特別是文件系統(tǒng)1/14/20245設(shè)備管理的根本任務(wù)完成用戶提出的I/O請求提高I/O速率提高I/O設(shè)備的利用率1/14/20246設(shè)備管理的主要功能緩沖區(qū)管理設(shè)備管理設(shè)備處理虛擬設(shè)備實現(xiàn)設(shè)備獨立性1/14/20247主要內(nèi)容5.1I/O系統(tǒng)5.6磁盤存儲器的管理5.2I/O控制方式5.3緩沖管理5.5設(shè)備分配5.4I/O軟件1/14/20248本章重點：I/O控制方式；緩沖區(qū)引入的原因；設(shè)備獨立性的定義；磁盤調(diào)度算法本章難點：磁盤調(diào)度算法本章方案學(xué)時：81/14/202495.1I/O系統(tǒng)P160概述I/O系統(tǒng)定義：I/O系統(tǒng)是用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入、輸出及數(shù)據(jù)存儲的系統(tǒng)。1/14/202410本節(jié)主要內(nèi)容：5.1.1I/O設(shè)備5.1.2設(shè)備控制器5.1.3I/O通道5.1.4總線系統(tǒng)本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握從不同角度對I/O設(shè)備的分類；了解設(shè)備控制器的作用和組成；掌握I/O系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)，掌握通道的含義返回1/14/2024115.1.1I/O設(shè)備1〕按傳輸速率分類低速設(shè)備如鍵盤、鼠標(biāo)、語音的輸入和輸出設(shè)備等中速設(shè)備高速設(shè)備1.I/O設(shè)備的類型1/14/202412這種方法可把外部設(shè)備分為存儲設(shè)備和輸入/輸出〔I/O〕設(shè)備。2〕按設(shè)備的使用特性分類輸入型設(shè)備〔外設(shè)主機〕輸出型設(shè)備〔主機外設(shè)〕輸入輸出型設(shè)備〔交互型設(shè)備〕1/14/202413塊設(shè)備〔存儲型設(shè)備〕以數(shù)據(jù)塊為單位存儲、傳輸信息特征：傳輸速率較高；可尋址；采用DMA方式；字符設(shè)備〔輸入/輸出型設(shè)備〕以字符為單位存儲、傳輸信息特征：速率較低；不可尋址；采用中斷驅(qū)動方式3〕按信息交換的單位分類1/14/202414獨占設(shè)備在一段時間內(nèi)只能有一個進(jìn)程使用的設(shè)備，一般為低速I/O設(shè)備?！踩绱蛴C，磁帶等〕共享設(shè)備在一段時間內(nèi)可有多個進(jìn)程共同使用的設(shè)備，多個進(jìn)程以交叉的方式來使用設(shè)備，其資源利用率高?！踩缬脖P〕4〕按設(shè)備的共享屬性分類1/14/202415虛擬設(shè)備1/14/202416系統(tǒng)設(shè)備指操作系統(tǒng)生成時，登記在系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備〔如終端、打印機、磁盤機等〕用戶設(shè)備指在系統(tǒng)生成時，未登記在系統(tǒng)中的非標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備。對于這類設(shè)備的處理程序由用戶提供，并將其納入系統(tǒng)，由系統(tǒng)代替用戶實施管理?！踩鏏/D，D/A轉(zhuǎn)換器，CAD所用專用設(shè)備〕5〕按外部設(shè)備的附屬關(guān)系分類1/14/202417緩沖轉(zhuǎn)換器控制邏輯至設(shè)備控制器數(shù)據(jù)信號線狀態(tài)信號線控制信號線信號數(shù)據(jù)2.設(shè)備與控制器之間的接口I/O設(shè)備1/14/202418I/O設(shè)備的三條信號線：1〕數(shù)據(jù)信號線2〕控制信號線3〕狀態(tài)信號線1/14/2024195.1.2設(shè)備控制器設(shè)備控制器是CPU與I/O設(shè)備之間的接口。設(shè)備控制器可分為兩類:用于控制字符設(shè)備的控制器;用于控制塊設(shè)備的控制器.設(shè)備控制器的主要職責(zé)：控制一個或多個I/O設(shè)備，以實現(xiàn)I/O設(shè)備和計算機之間的數(shù)據(jù)交換。設(shè)備控制器可編址。1/14/2024201.設(shè)備控制器的根本功能接受和識別命令；數(shù)據(jù)交換；標(biāo)識和報告設(shè)備的狀態(tài)；地址識別；數(shù)據(jù)緩沖；過失控制；1/14/2024212.設(shè)備控制器的組成1〕設(shè)備控制器與處理機的接口；該接口用于實現(xiàn)CPU與設(shè)備控制器之間的通信。共有三類信號線：數(shù)據(jù)線、地址線和控制線3〕I/O邏輯2〕設(shè)備控制器與設(shè)備的接口；每個接口中都存在數(shù)據(jù)、控制和狀態(tài)三種類型的信號。1/14/2024225.1.3I/O通道1.I/O通道定義：通道是獨立于CPU的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入/輸出傳輸工作的處理機，對外部設(shè)備實現(xiàn)統(tǒng)一管理，代替CPU對輸入/輸出操作進(jìn)行控制，從而使輸入，輸出操作可與CPU并行操作。1/14/202423通道與CPU一樣有運算和控制邏輯，有累加器和存放器，有自己專門的指令系統(tǒng)，具有向內(nèi)存直接存取數(shù)據(jù)的能力。通道由CPU啟動，一經(jīng)啟動成功后通道就可以獨立于CPU而工作。在通道工作的同時CPU可同時處理其它任務(wù)。1/14/202424引入通道的目的：為了使CPU從I/O事務(wù)中解脫出來，同時為了提高CPU與設(shè)備，設(shè)備與設(shè)備之間的并行工作能力通道與一般處理機的區(qū)別通道的指令類型單一；通道沒有自己的內(nèi)存；1/14/2024252.通道類型1)字節(jié)多路通道

字節(jié)多路通道以字節(jié)為單位傳輸信息，它可以分時地執(zhí)行多個通道程序。當(dāng)一個通道程序控制某臺設(shè)備傳送一個字節(jié)后，通道硬件就控制轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個通道程序，控制另一臺設(shè)備傳送信息主要連接以字節(jié)為單位的低速I/O設(shè)備。如打印機，終端。以字節(jié)為單位交叉?zhèn)鬏敚?dāng)一臺傳送一個字節(jié)后，立即轉(zhuǎn)去為另一臺傳送字節(jié)1/14/2024261/14/2024272)數(shù)組選擇通道

選擇通道是以成組方式工作的，即每次傳送一批數(shù)據(jù)，故傳送速度很高。選擇通道在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一個通道程序，只允許一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

當(dāng)這臺設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸完成后，再選擇與通道連接的另一臺設(shè)備，執(zhí)行它的相應(yīng)的通道程序

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主要連接磁盤，磁帶等高速I/O設(shè)備選擇通道1/14/202429

3)成組多路通道

它結(jié)合了數(shù)組選擇通道傳送速度高和字節(jié)多路通道能進(jìn)行分時并行操作的優(yōu)點。它先為一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令，然后自動轉(zhuǎn)接，為另一臺設(shè)備執(zhí)行一條通道指令

主要連接高速設(shè)備1/14/2024303.“瓶頸〞問題1/14/202431交叉連接1/14/202432CPU存儲器磁盤控制器磁盤驅(qū)動器打印機控制器打印機其它控制器總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.1.4總線系統(tǒng)1/14/202433總線系統(tǒng)的開展:ISAEISAVESAPCI要求:了解各種總線的帶寬/最高傳輸速率.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儲器訪問〔DMA〕I/O控制方式5.2.2中斷驅(qū)動I/O控制方式本節(jié)主要內(nèi)容：本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟練掌握4種I/O控制方式的名稱，掌握中斷驅(qū)動I/O控制方式和直接存儲器訪問〔DMA〕I/O控制方式的實現(xiàn)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內(nèi)存或CPU和外圍設(shè)備之間進(jìn)行信息傳送的方式。通常又稱為“忙—等〞方式或循環(huán)測試方式。1/14/202436

5.2.2中斷驅(qū)動I/O控制方式

〔1〕進(jìn)程需要數(shù)據(jù)時，將允許啟動和允許中斷的控制字寫入設(shè)備控制狀態(tài)存放器中，啟動該設(shè)備進(jìn)行輸入操作?！?〕該進(jìn)程放棄處理機，等待輸入的完成。操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他就緒進(jìn)程占用處理機?！?〕當(dāng)輸入完成時，輸入設(shè)備通過中斷請求線向CPU發(fā)出中斷請求信號。CPU在接收到中斷信號之后，轉(zhuǎn)向中斷處理程序。1/14/202437〔5〕在以后的某一時刻，操作系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請求并得到獲取數(shù)據(jù)的進(jìn)程，該進(jìn)程從約定的內(nèi)存特定單元中取出數(shù)據(jù)繼續(xù)工作?！?〕中斷處理程序首先保護現(xiàn)場，然后把輸入緩沖存放器中的數(shù)據(jù)傳送到某一特定單元中去，同時將等待輸入完成的那個進(jìn)程喚醒，進(jìn)入就緒狀態(tài)，最后恢復(fù)現(xiàn)場，并返回到被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。1/14/202438DMA方式又稱直接存儲器訪問〔DirectMemoryAccess〕方式。其根本思想是在外設(shè)和主存之間開辟直接的數(shù)據(jù)交換通路。DMA方式的特點是：〔1〕數(shù)據(jù)傳送的根本單位是數(shù)據(jù)塊?！?〕所傳送的數(shù)據(jù)是從設(shè)備送內(nèi)存，或者相反?！?〕僅在傳送一個或多個數(shù)據(jù)塊的開始和結(jié)束時，才需中斷CPU，請求干預(yù)，整塊數(shù)據(jù)的傳送是在DMA控制器控制下完成的。5.2.3直接存儲器訪問〔DMA〕I/O控制方式1/14/202439DMA方式與中斷的主要區(qū)別中斷方式是在數(shù)據(jù)緩沖存放區(qū)滿后，發(fā)中斷請求，CPU進(jìn)行中斷處理DMA方式那么是在所要求傳送的數(shù)據(jù)塊全部傳送結(jié)束時要求CPU進(jìn)行中斷處理大大減少了CPU進(jìn)行中斷處理的次數(shù)中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是由CPU控制完成的而DMA方式那么是在DMA控制器的控制下不經(jīng)過CPU控制完成的1/14/2024405.2.4I/O通道控制方式

通道控制方式與DMA方式相類似，也是一種內(nèi)存和設(shè)備直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的方式。與DMA方式不同的是，在通道控制方式中，數(shù)據(jù)傳送方向、存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存始址及傳送的數(shù)據(jù)塊長度均由一個專門負(fù)責(zé)輸入/輸出的硬件——通道來控制。另外，DMA方式每臺設(shè)備至少需要一個DMA控制器，而通道控制方式中，一個通道可控制多臺設(shè)備與內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

返回1/14/202441５.3緩沖管理P171在操作系統(tǒng)中采用緩沖是為了緩解CPU與I/O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾，提高CPU和I/O設(shè)備的并行性。概述1/14/2024425.3.1緩沖的引入本節(jié)主要內(nèi)容：5.3.2單緩沖和雙緩沖5.3.3循環(huán)緩沖5.3.4緩沖池本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：熟練掌握引入緩沖的主要原因；了解各種緩沖的實現(xiàn)1/14/2024431、緩和CPU與I/O設(shè)備間速度不匹配的矛盾2、減少對CPU的中斷頻率，放寬對中斷響應(yīng)時間的限制3、提高CPU與I/O設(shè)備之間的并行性引入緩沖區(qū)的原因:5.3.1緩沖的引入1/14/202444例子：假設(shè)只有1位緩沖對于速率為9.6Kb/s的數(shù)據(jù)通信來說，就意味著其中斷CPU的頻率為：9.6Kb/s即每100um就要中斷CPU一次問題：假設(shè)采用8位緩沖，中斷CPU的頻率為多少？中斷響應(yīng)時間為多少？答案：1.2Kb/s;800um1/14/2024451〕硬緩沖：在設(shè)備中設(shè)置緩沖區(qū)，由硬件實現(xiàn)軟緩沖：在內(nèi)存中開辟一個空間，用作緩沖區(qū)5.3.2單緩沖和雙緩沖緩沖區(qū)的設(shè)置：2〕單緩沖，雙緩沖，循環(huán)緩沖，緩沖池3〕通用緩沖，專用緩沖1/14/202446單緩沖是操作系統(tǒng)提供的最簡單的一種緩沖形式。每當(dāng)一個進(jìn)程發(fā)出一個I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)，該緩沖區(qū)用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)。1.單緩沖1/14/202447用戶進(jìn)程處理（C）工作區(qū)緩沖區(qū)傳送〔M〕輸入〔T〕I/O設(shè)備T1M1C1T2M2C2T3M3C3單緩沖工作示意圖說明：系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時間表示為：Max(C,T)+M1/14/2024482.雙緩沖

解決外設(shè)之間并行工作的最簡單的方法是設(shè)置雙緩沖。在雙緩沖方案中，具體的做法是為輸入或輸出操作設(shè)置兩個緩沖區(qū)buffer1和buffer2。雙緩沖方式和單緩沖方式相比，雖然雙緩沖方式能進(jìn)一步提高CPU和外設(shè)的并行程度，并能使輸入設(shè)備和輸出設(shè)備并行工作，但是在實際系統(tǒng)中很少采用這一方式，這是因為在計算機系統(tǒng)中的外設(shè)很多，又有大量的輸入和輸出，同時雙緩沖很難匹配設(shè)備和CPU的處理速度。因此現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中一般使用循環(huán)緩沖或緩沖池結(jié)構(gòu)。1/14/2024495.3.3循環(huán)緩沖1.循環(huán)緩沖的組成1/14/202450圖循環(huán)緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)1/14/2024512.循環(huán)緩沖區(qū)的使用(1)Getbuf過程(2)Releasebuf過程3.進(jìn)程同步1/14/2024525.3.5緩沖池從自由主存中分配一組緩沖區(qū)即可構(gòu)成緩沖池。1．緩沖池的組成緩沖池中的緩沖區(qū)一般有以下三種類型：空閑緩沖區(qū)、裝滿輸入數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)和裝滿輸出數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。四種工作緩沖區(qū):用于收容輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于提取輸入數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于收容輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)用于提取輸出數(shù)據(jù)的工作緩沖區(qū)1/14/202453緩沖區(qū)隊列1/14/202454緩沖區(qū)可以在收容輸入、提取輸入、收容輸出和提取輸出四種方式下工作。2．緩沖區(qū)的工作方式1/14/202455圖5.5緩沖池的工作緩沖區(qū)返回首頁1/14/2024565.4I/O軟件P177概述I/O軟件的總體設(shè)計目標(biāo)是高效率和通用性。要做到高效性，就是要確保I/O設(shè)備與CPU的并發(fā)性，以提高資源的利用率；要做到通用性，是指盡可能地提供簡單抽象、清晰而統(tǒng)一的接口，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的方法，來管理所有的設(shè)備以及所需的I/O操作。1/14/202457本節(jié)主要內(nèi)容：5.4.1I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)和原那么5.4.2中斷處理程序5.4.3設(shè)備驅(qū)動程序5.4.4設(shè)備獨立性軟件5.4.5用戶層的I/O軟件1/14/202458本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)；了解中斷處理程序的處理過程；了解設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程；熟練掌握設(shè)備獨立性的概念；返回1/14/2024595.4.1I/O軟件的設(shè)計目標(biāo)和原那么1)與具體設(shè)備無關(guān)2〕統(tǒng)一命名3〕對錯誤的處理5〕設(shè)備的分配和釋放6〕I/O控制方式1/14/202460I/O軟件中各層次及其功能如下所述：〔1〕用戶層軟件〔2〕設(shè)備獨立性軟件〔3〕設(shè)備驅(qū)動程序〔4〕中斷處理程序用戶層軟件設(shè)備獨立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序硬件I/O應(yīng)答執(zhí)行I/O操作1/14/202461中斷處理程序的處理過程如下：

1．喚醒被阻塞的驅(qū)動程序進(jìn)程2．保護被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場3．分析中斷原因、轉(zhuǎn)入相應(yīng)的設(shè)備中斷處理程序4．進(jìn)行中斷處理5．恢復(fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場5.4.2中斷處理程序1/14/2024625.4.3設(shè)備驅(qū)動程序1.設(shè)備驅(qū)動程序的功能〔1〕將接收到的抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求。主要任務(wù)：接收上層軟件發(fā)來的抽象I/O要求，在把它轉(zhuǎn)換為具體要求后，發(fā)送給設(shè)備控制器，啟動設(shè)備去執(zhí)行；也將設(shè)備控制器發(fā)來的信號傳送給上層軟件。1/14/202463〔3〕發(fā)出I/O命令，啟動分配到的I/O設(shè)備，完成指定的I/O操作〔5〕對于設(shè)置有通道的計算機系統(tǒng)，驅(qū)動程序還應(yīng)能夠根據(jù)用戶的I/O請求，自動地構(gòu)成通道程序?！?〕及時響應(yīng)由控制器或通道發(fā)來的中斷請求，并根據(jù)其中斷類型調(diào)用相應(yīng)的中斷處理程序進(jìn)行處理?！?〕檢查用戶I/O請求的合法性，了解I/O設(shè)備的狀態(tài)，傳遞有關(guān)參數(shù)，設(shè)置設(shè)備的工作方式。1/14/2024642.設(shè)備處理方式(1)為每一類設(shè)備設(shè)置一個進(jìn)程，專門用于執(zhí)行這類設(shè)備的I/O操作?！?〕在整個系統(tǒng)中設(shè)置一個I/O進(jìn)程，專門用于執(zhí)行系統(tǒng)中所有各類設(shè)備的I/O操作?！?〕不設(shè)置專門的設(shè)備處理進(jìn)程，而只為各類設(shè)備設(shè)置相應(yīng)的設(shè)備處理程序〔模塊〕，供用戶進(jìn)程或系統(tǒng)進(jìn)程調(diào)用。1/14/202465

3.設(shè)備驅(qū)動程序的特點〔1〕驅(qū)動程序主要是指在請求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器之間的一個通信和轉(zhuǎn)換程序?！?〕驅(qū)動程序與I/O設(shè)備所采用的I/O控制方式緊密相關(guān)?！?〕驅(qū)動程序與設(shè)備控制器和I/O設(shè)備的硬件特性緊密相關(guān)，因而對不同類型的設(shè)備應(yīng)配置不同的驅(qū)動程序。1/14/202466〔4〕驅(qū)動程序的根本局部已經(jīng)固化，放在ROM中?！?〕驅(qū)動程序應(yīng)允許可重入?！?〕驅(qū)動程序不允許系統(tǒng)調(diào)用。

3.設(shè)備驅(qū)動程序的特點1/14/2024674.設(shè)備驅(qū)動程序的處理過程具體如下:1.將抽象要求轉(zhuǎn)換為具體要求.2.檢查I/O請求的合法性不同的設(shè)備有不同的設(shè)備驅(qū)動程序，但設(shè)備驅(qū)動程序大都可分為兩局部，除有能驅(qū)動I/O設(shè)備工作的驅(qū)動程序外，還有設(shè)備中斷處理I/O完成后的工作程序。1/14/2024683.讀出和檢查設(shè)備的狀態(tài)4.傳送必要的參數(shù)5.工作方式的設(shè)置6.啟動I/O設(shè)備1/14/2024695.4.4設(shè)備獨立性軟件1.設(shè)備獨立性的概念也稱設(shè)備無關(guān)性，其根本含義是：應(yīng)用程序獨立于具體使用的物理設(shè)備。在應(yīng)用程序中，使用邏輯設(shè)備名稱來請求使用某設(shè)備；而系統(tǒng)在實際執(zhí)行時，是使用物理設(shè)備名。1/14/202470好處：1)設(shè)備分配時的靈活性2)易于實現(xiàn)I/O重定向所謂I/O重定向，是指用于I/O操作的設(shè)備可以更換，即重定向，而不必改變應(yīng)用程序。1/14/2024712.設(shè)備獨立性軟件設(shè)備獨立性軟件的主要功能：〔1〕執(zhí)行所有設(shè)備的公有操作。包括：對獨立設(shè)備的分配與回收；將邏輯設(shè)備名映射為物理設(shè)備名，進(jìn)一步可以找到相應(yīng)物理設(shè)備的驅(qū)動程序；對設(shè)備進(jìn)行保護，禁止用戶直接訪問設(shè)備；緩沖管理；過失控制；提供獨立于設(shè)備的邏輯塊〔2〕向用戶層〔或文件層〕軟件提供統(tǒng)一接口1/14/2024722.邏輯設(shè)備名到物理設(shè)備名映射的實現(xiàn)1)邏輯設(shè)備表LUT邏輯設(shè)備名物理設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址/dev/tty/dev/print35102420461/14/2024732)LUT的設(shè)置問題〔1〕整個系統(tǒng)設(shè)置一張LUT。主要用于單用戶系統(tǒng)中?！?〕為每個用戶設(shè)置一張LUT。返回1/14/2024745.4.5用戶層的I/O軟件1/14/2024755.5設(shè)備分配P186當(dāng)某進(jìn)程向系統(tǒng)提出I/O請求時，設(shè)備分配程序按一定策略分配設(shè)備、控制器和通道，形成一條數(shù)據(jù)傳輸通路，以供主機和設(shè)備間信息交換概述1/14/202476本節(jié)主要內(nèi)容：5.5.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)5.5.2設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素5.5.3獨占設(shè)備的分配程序1/14/202477本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；掌握設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素；了解獨占設(shè)備的分配程序；返回1/14/2024785.5.1設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)備控制塊DCB〔設(shè)備控制表DCT〕控制器控制塊COCB〔控制器控制表COCT〕通道控制塊CHCB〔通道控制表CHCT〕系統(tǒng)設(shè)備表SDT1/14/2024791.設(shè)備控制表DCT主要內(nèi)容：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、設(shè)備狀態(tài)、與此設(shè)備相連的COCT、重復(fù)執(zhí)行的次數(shù)或時間、等待隊列的隊首和隊尾指針1/14/202480DCT1DCT2DCT3DCTn設(shè)備控制表集合設(shè)備類型：type設(shè)備標(biāo)識符：deviceid設(shè)備狀態(tài)：等待/不等待忙/閑指向控制器表的指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時間設(shè)備隊列的隊首指針設(shè)備控制表1/14/2024812.系統(tǒng)設(shè)備表SDT整個系統(tǒng)一張表，記錄系統(tǒng)中所有I/O設(shè)備的信息，表目包括：設(shè)備類型、設(shè)備標(biāo)識符、DCT表指針、設(shè)備驅(qū)動程序的入口地址等1/14/202482

根據(jù)用戶請求的I/O設(shè)備的邏輯名，查找邏輯設(shè)備和物理設(shè)備的映射表；以物理設(shè)備為索引，查找SDT，找到該設(shè)備所連接的DCT；繼續(xù)查找與該設(shè)備連接的COCT和CHCT，就找到了一條通路1/14/2024835.5.2設(shè)備分配時應(yīng)考慮的因素*I/O設(shè)備的固有屬性*I/O設(shè)備的分配算法*設(shè)備分配時的平安性*與設(shè)備的無關(guān)性〔設(shè)備獨立性〕1/14/2024841)獨占設(shè)備的分配要考慮充分發(fā)揮效率，防止由于不合理的分配策略造成死鎖靜態(tài)分配：在進(jìn)程運行前,完成設(shè)備分配；運行結(jié)束時，收回設(shè)備缺點：設(shè)備利用率低1.設(shè)備的固有屬性1/14/202485

在進(jìn)程運行過程中，當(dāng)用戶提出設(shè)備要求時，進(jìn)行分配，一旦停止使用立即收回

動態(tài)分配：優(yōu)點：效率好缺點：分配策略不好時,產(chǎn)生死鎖1/14/2024862)共享設(shè)備分配由于同時有多個進(jìn)程同時訪問，且訪問頻繁，就會影響整個設(shè)備使用效率，影響系統(tǒng)效率。因此要考慮多個訪問請求到達(dá)時效勞的順序，使平均效勞時間越短越好3)可虛擬設(shè)備1/14/2024872.設(shè)備分配算法1)先來先效勞2)優(yōu)先級高者優(yōu)先1/14/2024883.設(shè)備分配中的平安性1)平安分配方式在這種分配方式中，每當(dāng)進(jìn)程發(fā)出I/O請求后，便進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到其I/O完成時才被喚醒。摒棄了“請求和保持〞條件。缺點：進(jìn)程進(jìn)展緩慢，即CPU與I/O設(shè)備是串行工作的。2)不平安分配方式1/14/2024895.5.3獨占設(shè)備的分配1.根本的設(shè)備分配程序1)分配設(shè)備2〕分配控制器3〕分配通道1/14/2024902.設(shè)備分配程序的改進(jìn)設(shè)備分配存在的問題：1)進(jìn)程以物理設(shè)備名來提出I/O請求2〕采用的是單通路的I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相應(yīng)的改進(jìn)：1〕增加設(shè)備的獨立性2〕考慮多通路情況1/14/2024911.什么是SPOOLing在聯(lián)機情況下實現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing，或稱為假脫機操作。1/14/2024922.SPOOLing系統(tǒng)的組成1)輸入井和輸出井2)輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)3)輸入進(jìn)程SPi和輸出進(jìn)程SPo這是在磁盤上開辟的兩個大存儲空間1/14/202493圖假脫機系統(tǒng)的組成1/14/2024943.共享打印機當(dāng)用戶進(jìn)程請求打印輸出時,SPOOLing系統(tǒng)并不真正把打印機分配給它,而是做兩件事:(1)由輸出進(jìn)程在輸出井中為之申請一個空閑盤塊區(qū),并將要打印的數(shù)據(jù)送入其中;(2)輸出進(jìn)程再為用戶進(jìn)程申請一張空白的用戶請求打印表,并將用戶的打印請求填入其中,再將該表掛到請求打印隊列上.1/14/2024954.SPOOLing系統(tǒng)的特點1)提高了I/O速度2)將獨占設(shè)備改造為共享設(shè)備3)實現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能返回1/14/2024965.6磁盤存儲器的管理P191概述幾乎所有計算機都使用磁盤來存儲信息。從存儲角度，與內(nèi)存比較起來，磁盤有三個主要的優(yōu)點：1.可用的存儲容量非常大2.價格非常低3.電源關(guān)掉后信息不會喪失1/14/202497磁盤存儲器管理的主要任務(wù)：為文件分配必要的存儲空間，使每個文件能“各得其所〞合理地組織文件的存取方式，以提高對文件的訪問速度提高磁盤存儲空間的利用率提高對磁盤的I/O速度，以改善文件系統(tǒng)的性能采取必要的冗余措施，來確保文件系統(tǒng)的可靠性1/14/202498本節(jié)主要內(nèi)容：5.6.1磁盤性能簡述5.6.2磁盤調(diào)度5.6.3磁盤高速緩存5.6.4提高磁盤I/O速度的其它方法5.6.5廉價磁盤冗余陣列1/14/202499本節(jié)學(xué)習(xí)目標(biāo)：了解磁盤的訪問時間；熟練掌握常用的磁盤調(diào)度算法：SSTF、SCAN、CSCAN；了解其它的磁盤調(diào)度算法；掌握提高磁盤I/O速度的方法；了解廉價磁盤冗余陣列返回1/14/20241005.6.1磁盤性能簡介1.數(shù)據(jù)的組織和格式磁盤驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)1/14/20241012.磁盤的類型1)固定頭磁盤2)移動頭磁盤1/14/20241023.磁盤訪問時間1)尋道時間Ts把磁頭從當(dāng)前位置移動到指定磁道上所經(jīng)歷的時間。表示為：Ts=m*n+s其中：m為常數(shù)，與磁盤驅(qū)動器的速度有關(guān)磁盤啟動時間約為3ms。2)旋轉(zhuǎn)延遲時間Tr是指定扇區(qū)移動到磁頭下面所經(jīng)歷的時間。1/14/20241033)傳輸時間Tt是指把數(shù)據(jù)從磁盤讀出，或向磁盤寫入數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的時間，Tr的大小與每次所讀/寫的字節(jié)數(shù)b及旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)。1/14/20241045.6.2磁盤調(diào)度磁盤調(diào)度的目標(biāo)是使磁盤的平均尋道時間最少。常用的磁盤調(diào)度算法：先來先效勞、最短尋道時間優(yōu)先、掃描算法和循環(huán)掃描算法。1.FCFS根本思想：根據(jù)進(jìn)程請求訪問磁盤的先后次序進(jìn)行調(diào)度。優(yōu)點：公平，簡單缺點：未對尋道時間進(jìn)行優(yōu)化1/14/2024105FCFS調(diào)度過程演示訪盤序列：5558391890160150當(dāng)前磁道號：100被訪問的下一個磁道號移動距離〔磁道數(shù)〕555839189016015045319217270101/14/20241062.最短尋道時間優(yōu)先(SSTF)思想：該算法選擇這樣的進(jìn)程，其要求訪問的磁道與當(dāng)前磁頭所在的磁道距離最近，以使每次的尋道時間最短。但這種算法卻不能保證平均尋道時間最短。1/14/2024107SSTF調(diào)度過程演示訪盤序列：5558391890160150當(dāng)前磁道號：100被訪問的下一個磁道號移動距離〔磁道數(shù)〕9058553918150160103231421132101/14/2024108被訪問的下一個磁道號移動距離5558391890160150381844531921727010112146當(dāng)前磁道100FCFS調(diào)度算法例如被訪問的下一個磁道號移動距離90585539381815016018410323161201321024SSTF調(diào)度算法例如平均尋道長度：55.3平均尋道長度：27.51/14/2024109也可這樣表示訪盤序列：FCFS:555839189016015038184100905855393818150160184100SSTF:1/14/20241103.掃描(SCAN)算法1)進(jìn)程“饑餓〞現(xiàn)象2)SCAN算法該算法不僅考慮到欲訪問的磁道與當(dāng)前磁道的距離，更優(yōu)先考慮的是磁頭的當(dāng)前移動方向。1/14/2024111SCAN調(diào)度過程演示訪盤序列：5558391890160150當(dāng)前磁道號：100被訪問的下一個磁道號移動距離〔磁道數(shù)〕15016090585539185010703231621向磁道號增加方向訪問1/14/202411