計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)os chap04

計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)

ComputerOperatingSystems秦科

Email:QQ:215462624第四章

設(shè)備管理I/OManagement4.1概述-設(shè)備管理作用設(shè)備管理的對象主要是I／O設(shè)備。Easyorhard?Why?Howtomakeiteasier?在I／O系統(tǒng)中，除了需要直接用于I／O和存儲信息的設(shè)備外，還需要有相應(yīng)的設(shè)備控制器和高速總線。在有的大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，還配置了I／O通道或I／O處理機(jī)。設(shè)備管理的基本任務(wù):完成用戶提出的I／O請求，提高I/O速率以及改善I／O設(shè)備的利用率。設(shè)備管理的主要功能有：緩沖區(qū)管理：緩沖區(qū)的高利用率設(shè)備分配：進(jìn)程對共享設(shè)備的訪問方法設(shè)備處理：對設(shè)備動作的控制虛擬設(shè)備：實(shí)現(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性：設(shè)備無關(guān)性4.1概述-設(shè)備管理作用4.1概述-I／O設(shè)備的類型不同的設(shè)備有不同的性能指標(biāo),常見的指標(biāo)有:傳輸速率設(shè)備共享屬性信息交換單位設(shè)備接口按傳輸速率分類

:低速設(shè)備：每秒幾個字節(jié)至數(shù)百個字節(jié)中速設(shè)備：每秒數(shù)千個字節(jié)至數(shù)萬個字節(jié)高速設(shè)備：每秒數(shù)百千個字節(jié)至數(shù)十兆字節(jié)4.1概述-I／O設(shè)備的類型按信息交換的單位分類塊設(shè)備：這類設(shè)備用于存儲信息。字符設(shè)備：其基本單位是字符4.1概述-I／O設(shè)備的類型4.1概述-I／O設(shè)備的類型按設(shè)備的共享屬性分類

獨(dú)占設(shè)備：即臨界資源。共享設(shè)備：在一段時間內(nèi)允許多個進(jìn)程同時訪問的設(shè)備。虛擬設(shè)備：通過虛擬技術(shù)將一臺獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺邏輯設(shè)備，供若干個用戶（進(jìn)程）同時使用。不同設(shè)備的性能指標(biāo)設(shè)備種類數(shù)據(jù)傳輸速率信息交換單位設(shè)備共享屬性設(shè)備接口硬盤不同接口有不同：107~108塊共享多種：IDE、SCSI、PCI等顯示器108~109幀（顯示緩沖區(qū)）可共享多種：MDA、CGA、EGA、VGA、SVGA鍵盤101~102字符獨(dú)占8255并口激光打印機(jī)106~107字符獨(dú)占DB25LQ1600K針式打印機(jī)101~103字符獨(dú)占Centronics噴墨打印機(jī)106~107字符獨(dú)占USB接口掃描儀106~107幀（畫面）獨(dú)占DB25移動硬盤106~107塊可共享USB接口網(wǎng)卡101~109幀獨(dú)占多種：ISA、VESA、PCI調(diào)制解調(diào)器104~105字符獨(dú)占多種：PC總線、RS232等4.1概述-設(shè)備控制設(shè)備與控制器間的接口4.1概述-設(shè)備控制基本功能接收和識別命令數(shù)據(jù)交換標(biāo)識和報(bào)告設(shè)備的狀態(tài)地址識別數(shù)據(jù)緩沖差錯控制2.設(shè)備控制器的組成設(shè)備控制器的組成1.I/O通道(I/OChannel)設(shè)備的引入I/O通道是一種特殊的處理機(jī)。它具有執(zhí)行I/O指令的能力，并通過執(zhí)行通道(I/O)程序來控制I/O操作。但I(xiàn)/O通道又與一般的處理機(jī)不同，主要表現(xiàn)在以下兩個方面：指令類型單一沒有自己的內(nèi)存，是通道與CPU共享內(nèi)存。4.1概述-I/O通道2.通道類型1)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)字節(jié)多路通道的工作原理2)數(shù)組選擇通道(BlockSelectorChannel)可以連接多臺高速設(shè)備，但由于它只含有一個分配型子通道，在一段時間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序，控制一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送

當(dāng)某臺設(shè)備占用了該通道后，便一直由它獨(dú)占，即使是它無數(shù)據(jù)傳送，通道被閑置，也不允許其它設(shè)備使用該通道，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道。3)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率又能獲得令人滿意的通道利用率廣泛地用于連接多臺高、中速的外圍設(shè)備其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行的。3.“瓶頸”問題圖5-4單通路I/O系統(tǒng)圖5-5多通路I/O系統(tǒng)

總線型I/O系統(tǒng)結(jié)構(gòu)4.1.5總線系統(tǒng)1.ISA和EISA總線

1)ISA(IndustryStandardArchitecture)總線2)EISA(ExtendedISA)總線

2.局部總線(LocalBus)VESA(VideoElectronicStandardAssociation)總線2)PCI(PeripheralComponentInterface)總線程序I/O方式中斷方式DMA方式通道方式4.2I/O控制方式程序I/O和中斷驅(qū)動方式的流程DMA控制器的組成

為了實(shí)現(xiàn)在主機(jī)與控制器之間成塊數(shù)據(jù)的直接交換，必須在DMA控制器中設(shè)置如下四類寄存器：(1)命令/狀態(tài)寄存器CR

(2)內(nèi)存地址寄存器MAR

(3)數(shù)據(jù)寄存器DR

(4)數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)器DCDMA方式的工作流程4.3I/O控制器舉例打印機(jī)控制器8250控制器彩色圖形顯示控制器8237A2-5控制器打印機(jī)控制器組成框圖

8250控制器組成框圖

彩色圖形顯示控制器組成框圖

8237A-5內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)

在設(shè)備管理中，引入緩沖區(qū)的主要原因:緩和CPU與I／O設(shè)備間速度不匹配的矛盾。減少對CPU的中斷頻率，放寬對CPU中斷響應(yīng)時間的限制。提高CPU和I／O設(shè)備之間的并行性。4.3緩沖技術(shù)1．單一緩沖區(qū)組織方式

在單緩沖情況下，每當(dāng)用戶進(jìn)程發(fā)出一I/O請求時，操作系統(tǒng)便在主存中為之分配一緩沖區(qū)。4.3緩沖技術(shù)于T和C是可以并行的，當(dāng)T＞C時，系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時間為M＋T；反之則為M＋C，故可把系統(tǒng)對每一塊數(shù)據(jù)的處理時間表示為Max（C，T）十M。2.雙緩沖區(qū)組織方式在設(shè)備輸入時,先將數(shù)據(jù)送入第一緩沖區(qū)，裝滿后便轉(zhuǎn)向第二緩沖區(qū)。此時操作系統(tǒng)可以從第一緩沖區(qū)中移出數(shù)據(jù)，并送入用戶進(jìn)程在雙緩沖時，如果假設(shè)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)傳送到用戶區(qū)時間M遠(yuǎn)小于傳送間T或計(jì)算時間C，系統(tǒng)處理一塊數(shù)據(jù)的最大時間可粗略地認(rèn)為max(C，T)。如果C＜T，可使磁盤數(shù)據(jù)連續(xù)輸入；如果C＞T，可使CPU不必等待數(shù)據(jù)輸入。當(dāng)輸入與輸出兩者的速度相差甚遠(yuǎn)，引入了多緩沖機(jī)制?？蓪⒍鄠€緩沖組織成循環(huán)緩沖形式。1)循環(huán)緩沖區(qū)方式

（1）多個緩沖區(qū)。每個緩沖區(qū)的大小相同。（2）緩沖區(qū)可分成三種類型：①空緩沖區(qū)Empty；②已裝滿數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)Full；③現(xiàn)行工作緩沖區(qū)Current;3.循環(huán)緩沖區(qū)組織方式循環(huán)緩沖區(qū)的組織方式

緩沖區(qū)管理的同步問題使用輸入循環(huán)緩沖，指針Nexti和指針Nextg將不斷地沿著順時針方向移動，這樣就可能出現(xiàn)下述兩種情況:（1）Nexti指針追趕上Nextg指針（2）Nextg指針追趕上Nexti指針受計(jì)算限制受I/O限制為了提高緩沖區(qū)的利用率，目前廣泛流行公用緩沖池。

1．緩沖池的組成

（1）空緩沖隊(duì)列emq。（2）輸入隊(duì)列inq。（3）輸出隊(duì)列outq。還應(yīng)具有四種工作緩沖區(qū)：收容輸入提取輸入收容輸出提取輸出

緩沖池目的：將一臺物理I／O設(shè)備虛擬為多臺邏輯I／O設(shè)備，同樣允許多個用戶共享一臺物理I／O設(shè)備。什么是SPOOLing在主機(jī)的直接控制下，實(shí)現(xiàn)脫機(jī)輸入、輸出功能。此時的外圍操作與CPU對數(shù)據(jù)的處理同時進(jìn)行，我們把這種在聯(lián)機(jī)情況下實(shí)現(xiàn)的同時外圍操作稱為SPOOLing（SimultaneausPeriphernalOperatingOn一Line），或稱為假脫機(jī)操作。SPOOLING2．SPOOLing結(jié)構(gòu)示意圖SPOOLing系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）提高了I／O的速度。緩和了CPU與低速I／O設(shè)備之間速度不匹配的矛盾。（2）將獨(dú)占設(shè)備改造為共享設(shè)備。（3）實(shí)現(xiàn)了虛擬設(shè)備功能，

SPOOLing系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將獨(dú)占設(shè)備變換為若干臺對應(yīng)的邏輯設(shè)備的功能。4.4設(shè)備獨(dú)立性

問題的提出程序使用邏輯設(shè)備而系統(tǒng)使用物理設(shè)備優(yōu)點(diǎn)設(shè)備分配的靈活性易于I/O重定向?qū)崿F(xiàn)設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動軟件邏輯設(shè)備表（LUT）用戶層軟件設(shè)備獨(dú)立性軟件設(shè)備驅(qū)動程序中斷處理程序硬件4.4.1設(shè)備無關(guān)性的實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)備表LUT:設(shè)備映射主設(shè)備號邏輯設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址3/dev/tty1(鍵盤輸入設(shè)備1)30003/dev/tty2（鍵盤輸入設(shè)備2）30005（針式打印機(jī)）/dev/lp（打印機(jī)）50006/dev/ethN（網(wǎng)卡）4000

用激光打印機(jī)替換針式打印機(jī)后的LUT表：主設(shè)備號邏輯設(shè)備名驅(qū)動程序入口地址3/dev/tty1(鍵盤輸入設(shè)備1)30003/dev/tty2（鍵盤輸入設(shè)備2）30007（激光打印機(jī)）/dev/lp（打印機(jī)）70006/dev/ethN（網(wǎng)卡）40004.4.2設(shè)備的查找當(dāng)進(jìn)程用邏輯設(shè)備名來請求分配I/O設(shè)備時，首先查邏輯設(shè)備表LUT，如果找到邏輯設(shè)備名，就找到了物理設(shè)備和設(shè)備驅(qū)動程序的入口地址，再由系統(tǒng)啟動設(shè)備驅(qū)動程序完成信息輸出。

當(dāng)將針式打印機(jī)換成激光打印機(jī)時，我們僅修改邏輯設(shè)備表LUT，而用戶使用的邏輯設(shè)備名不做修改。

邏輯設(shè)備名不做修改則應(yīng)用程序不做修改，提高了系統(tǒng)管理的可適應(yīng)性。

4.5設(shè)備分配及分配算法在多道程序環(huán)境下，系統(tǒng)中的設(shè)備供所有進(jìn)程共享。為防止諸進(jìn)程對系統(tǒng)資源的無序競爭，特規(guī)定系統(tǒng)設(shè)備不允許用戶自行使用，必須由操作系統(tǒng)統(tǒng)一分配。每當(dāng)進(jìn)程向操作系統(tǒng)提出I／O請求時，只要是可能和安全的，設(shè)備分配程序便按照一定的策略，把設(shè)備分配給請求進(jìn)程。系統(tǒng)的設(shè)備有獨(dú)占設(shè)備和共享設(shè)備。不同的設(shè)備有不同的分配算法。4.5.1對獨(dú)占設(shè)備分配和分配算法

獨(dú)占設(shè)備是指該設(shè)備一旦被分配給A進(jìn)程占用，其他進(jìn)程就不能再占用，只有當(dāng)A進(jìn)程不再使用該設(shè)備并釋放之后，才能將該設(shè)備分配給另一進(jìn)程使用,對這樣的分配方式稱為臨界資源分配策略，又稱為靜態(tài)分配策略。

獨(dú)占設(shè)備常見的分配算法有：1．先來先服務(wù)

2.優(yōu)先級高者優(yōu)先

4.5.2對共享設(shè)備分配和分配算法共享設(shè)備是指該設(shè)備可以同時分配給多個進(jìn)程同時使用，也就是說一個進(jìn)程沒有運(yùn)行結(jié)束，又可以分配給其他進(jìn)程使用，而且能保證正常運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果是正確的，這種分配方式稱為共享分配。例如磁盤的分配屬于共享分配。怎樣理解是共享設(shè)備呢？他們可以獨(dú)立的進(jìn)行操作，并不需要一個進(jìn)程釋放磁盤之后才能為另一進(jìn)程使用磁盤，他們可以同時在系統(tǒng)中占有磁盤運(yùn)行，所以我們稱磁盤為共享設(shè)備。

4.5.3

設(shè)備分配中的安全性

從進(jìn)程運(yùn)行的安全性上考慮，設(shè)備分配有以下兩種方式：1.安全分配方式

2.不安全分配方式

解決系統(tǒng)安全問題，可利用前面介紹的解決死鎖的方法來處理。4.5.3安全分配方式在采用這種分配策略時，一旦進(jìn)程已經(jīng)獲得某種設(shè)備（資源）后便阻塞，使它不可能再請求任何資源，而在它運(yùn)行時又不保持任何資源。優(yōu)點(diǎn)：這種分配方式已經(jīng)摒棄了造成死鎖的四個必要條件之一的“請求和保持”條件，因而是安全的。

缺點(diǎn)：是進(jìn)程進(jìn)展緩慢，即CPU與I/O設(shè)備是串行工作。

4.5.3不安全分配方式

在這種分配方式中，進(jìn)程發(fā)出I/O請求后仍繼續(xù)運(yùn)行，需要時又可發(fā)出第二個I/O請求、第三個I/O請求。僅當(dāng)進(jìn)程所請求的設(shè)備已被另一進(jìn)程占用時，進(jìn)程才進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

優(yōu)點(diǎn)：是一個進(jìn)程可同時操作多個設(shè)備，從而使進(jìn)程推進(jìn)迅速。

缺點(diǎn)：是分配不安全，因?yàn)樗赡芫邆洹闭埱蠛捅３帧睏l件，從而可能造成死鎖。

4.5.4設(shè)備分配過程系統(tǒng)設(shè)備表設(shè)備控制表控制器控制表通道控制表4.5.4設(shè)備分配過程設(shè)備類設(shè)備標(biāo)識符DCT驅(qū)動程序入口設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識符設(shè)備狀態(tài)控制器表指針重復(fù)執(zhí)行次數(shù)或時間設(shè)備隊(duì)列隊(duì)首指針4.6磁盤管理

在多道程序設(shè)計(jì)中，同時會有若干個訪問者請求磁盤執(zhí)行輸入輸出操作，每一時刻只允許一個訪問者執(zhí)行輸入輸出操作，其余的必須等待?，F(xiàn)在的問題是應(yīng)先讓哪一個使用磁盤呢？這要受到磁盤的硬件結(jié)構(gòu)和分配算法的影響。4.6.1硬盤的3D參數(shù)示意圖4.6.2磁道上的信息結(jié)構(gòu)①等扇區(qū)結(jié)構(gòu)。每個磁道的扇區(qū)數(shù)相等，即內(nèi)磁道的扇區(qū)存放的信息密度高，外磁道的扇區(qū)存放的信息密度低。②等密度結(jié)構(gòu)。即每一個扇區(qū)記錄信息的密度是相同的，也就是說，由于外圈的周長比內(nèi)圈的周長更長，劃分外圈的扇區(qū)數(shù)比劃分內(nèi)圈的扇區(qū)數(shù)多。在磁盤初始化時把每個盤面劃分成相等數(shù)量的扇區(qū)，按磁盤旋轉(zhuǎn)的反向從0開始給各扇區(qū)編號，稱為“扇區(qū)號”。每個扇區(qū)上均可存放相等數(shù)量的字符，我們稱它為”塊”，塊是信息讀寫的最小單位。4.6.2磁道上的信息結(jié)構(gòu)4.6.3尋址時間尋找時間——磁頭在移動臂帶動下移動到指定柱面所花的時間。延遲時間——指定扇區(qū)旋轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時間。傳送時間——由磁頭進(jìn)行讀寫完成信息傳送的時間。4.6.4磁盤分配算法根據(jù)磁盤的操作時間，對磁盤調(diào)度分為“移臂調(diào)度”和“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”兩部分組成。（1）移臂調(diào)度算法

常用的移臂調(diào)度算法有：先來先服務(wù)算法、最短尋找時間優(yōu)先算法、電梯調(diào)度算法和單向掃描算法。

先來先服務(wù)調(diào)度算法（FCFS）

例如，若有磁盤共有200個柱面，其編號為0?199，假定磁頭剛完成56號柱面的訪問，磁頭正在98號柱面上，現(xiàn)有一個請求隊(duì)列在等待訪問柱面，訪問的柱面號分別為190，97，90，45，150，32，162，108，112，80。按“先來先服務(wù)”調(diào)度算法，請給出移動的柱面的距離。最短尋找時間優(yōu)先調(diào)度算法（SSTF）

“最短尋找時間優(yōu)先”調(diào)度算法總是從等待訪問者中挑選尋找時間最短的那個請求先執(zhí)行，而不管訪問者到來的先后次序。用同一個例子來討論。

電梯調(diào)度算法（SCAN）

“電梯調(diào)度”算法總是從移動臂當(dāng)前位置開始沿著臂的移動方向去選擇離當(dāng)前移動臂最近的那個柱面的訪問者，如果沿臂的移動方向無請求訪問時，就改變臂的移動方向再選擇。移動臂的方向（1）移動臂是向外移的。（2）移動臂是向里移的。用同一個例子來討論單向掃描調(diào)度算法（CSCAN）

“單向掃描”調(diào)度算法又稱為循環(huán)掃描調(diào)度算法，該算法不考慮等待訪問者的先后次序，總是從0號柱面開始向里掃描，按照各訪問者所要訪問的柱面位置的次序去選擇訪問者。移動臂到達(dá)最后一個柱面后，立即帶動讀寫磁頭快速返回到0號柱面用同一個例子來討論（2）旋轉(zhuǎn)調(diào)度

當(dāng)移動臂定位后，應(yīng)該優(yōu)先選擇延遲時間最短的訪問者去執(zhí)行，根據(jù)延遲時間來決定執(zhí)行次序的調(diào)度稱為“旋轉(zhuǎn)調(diào)度”。進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)度時應(yīng)分析下列情況：

①若干等待訪問者請求訪問同一磁道上的不同扇區(qū)。②若干等待訪問者請求訪問不同磁道上的不同編號的扇區(qū)。③若干等待訪問者請求訪問不同磁道上具有相同編號的扇區(qū)。

旋轉(zhuǎn)調(diào)度舉例：例如，有4個訪問5號柱面的請求訪問者。對它們進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)度后，它們的執(zhí)行次序有兩種考慮：

①、②、④、③①、③、④、②

請求次序拄面號磁頭號扇區(qū)號①541②515③545④5284.7RAID數(shù)據(jù)分塊，即把數(shù)據(jù)分布在多個盤上。非冗余陣列、無冗余信息。嚴(yán)格地說，它不屬于RAID系列。MNOetc...IJKLEFGHABCDRAID0RAID0中的數(shù)據(jù)映射陣列管理?xiàng)l帶0條帶1條帶1條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11條帶0條帶2條帶3條帶4條帶5條帶6條帶7條帶8條帶9條帶10條帶11邏輯盤物理盤0物理盤1物理盤2物理盤3亦稱鏡像盤，使用雙備份磁盤。每當(dāng)數(shù)據(jù)寫入一個磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫到另一個冗余盤，形成信息的兩份復(fù)制品。GGHHEEFFCCDDAABB==RAID11.RAID1特點(diǎn)讀性能好。理論上是RAID0的2倍。寫性能由寫性能最差的磁盤決定。相對以后各級RAID來說，RAID1的寫速度較快?？煽啃院芨摺Ｗ畎嘿F的解決方法，物理磁盤空間是邏輯磁盤空間的兩倍。位交叉式海明編碼陣列各個數(shù)據(jù)盤上的相應(yīng)位計(jì)算海明校驗(yàn)碼，編碼位被存放在多個校驗(yàn)（Ecc）磁盤的對應(yīng)位上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3Ecc/AxEcc/BxEcc/CxEcc/DxEcc/AyEcc/ByEcc/CyEcc/DyEcc/AzEcc/BzEcc/CzEcc/DzRAID2RAID2特點(diǎn)并行存取，各個驅(qū)動器同步工作。使用海明編碼來進(jìn)行錯誤檢測和糾正，數(shù)據(jù)傳輸率高。需要多個磁盤來存放海明校驗(yàn)碼信息，冗余磁盤數(shù)量與數(shù)據(jù)磁盤數(shù)量的對數(shù)成正比。是一種在多磁盤易出錯環(huán)境中的有效選擇。并未被廣泛應(yīng)用，目前還沒有商業(yè)化產(chǎn)品。位交叉奇偶校驗(yàn)盤陣列單盤容錯并行傳輸：數(shù)據(jù)以位或字節(jié)交叉存儲，奇偶校驗(yàn)信息存儲在一臺專用盤上。D0D1D2D3C0C1C2C3B0B1B2B3A0A1A2A3A校驗(yàn)碼B校驗(yàn)碼C校驗(yàn)碼D校驗(yàn)碼校驗(yàn)碼產(chǎn)生器位或字節(jié)RAID3RAID3特點(diǎn)將磁盤分組，讀寫要訪問組中所有盤，每組中有一個盤作為校驗(yàn)盤。校驗(yàn)盤一般采用奇偶校驗(yàn)。簡單理解：先將分布在各個數(shù)據(jù)盤上的一組數(shù)據(jù)加起來，將和存放在冗余盤上。一旦某一個盤出錯，只要將冗余盤上的和減去所有正確盤上的數(shù)據(jù)，得到的差就是出錯的盤上的數(shù)據(jù)。缺點(diǎn)：恢復(fù)時間較長。RAID3讀寫特點(diǎn)假