《ch-4设备管理》PPT课件.ppt

第4章 设备管理,1.,2.,3.,本章讲述内容：,4.,完成一个I/O请求的步骤；,如何管理和分配系统中的设备 ；,数据传输的各种控制方式；,设备管理中常用的若干技术 。,4.1 概述,4.1.1 计算机设备的分类 1、按设备从属关系 （1）系统设备：键盘、显示器、打印机 （2）用户设备：,2、 按设备分配特性 （1）独享设备：打印机 （2）共享设备：磁盘 （3）虚拟设备：SPOOLing技术,3、按设备的工作特性 （1）输入/输出设备：键盘 （2）存储设备：磁盘,柱面,扇区,磁臂,磁头,物理地址形式： 磁头号（盘面号） 磁道号（柱面号） 扇区号 一次访盘请求： 读/写，磁盘地址（设备号，柱面号，磁头号，扇区号），内存地址（源/目）,4.1.2 设备管理的目标和功能,1、设备管理的目标 提高外设的利用率 为用户提供便利、统一的使用界面,2、设备管理的功能 （1）提供一组I/O命令 （2）进行设备的分配与回收 （3）对缓冲区管理 （4）实现真正的I/O操作,4.2 输入、输出的处理步骤,4.3 设备的分配与调度算法,4.3.1 管理设备时的数据结构 1.设备控制块：记录每一台设备的基本信息,2.系统设备表：整个系统一张,4.3.2 独享设备的分配,独享设备：排他性设备。键盘，磁带机，打印机。 静态分配 绝对号：设备的内部编号 相对号：用户对设备的编号（设备类，相对号）,4.3.3 共享磁盘的调度,完成过程由三个动作组成： 查找时间：磁头移动定位到指定磁道 等待时间：等待指定扇区旋转到磁头下 传输时间：数据在磁盘与内存之间的实际传输,磁盘的调度,磁盘是可被多个进程共享的设备。当有多个进程都请求访问磁盘时，访问的磁道位置不一样。 如何在公平情况下缩短寻道时间？磁盘调度算法。 先来先服务、最短寻道时间优先、扫描算法、循环扫描算法等。,磁盘移臂调度算法 1. 先来先服务 (FCFS) 最简单的磁盘调度算法。 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，且每个进程的请求都能依次得到处理，不会出现某进程的请求长期得不到满足的情况。 由于未对寻道进行优化，致使平均寻道时间可能较长。,FCFS调度算法,磁头移动的磁道数：45+3+19+21+72+70+10+112+146=498,2. 最短寻道时间优先(SSTF) SSTF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，使得每次的寻道时间最短。 但不能保证平均寻道时间最短。,SSTF调度算法,磁头移动的磁道数：10+32+3+16+1+20+132+10+24=248,3. 扫描算法(SCAN) 扫描算法不仅要考虑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。,SCAN调度算法,磁头移动的磁道数：50+10+24+94+32+3+16+1+20=250,4. 单向扫描调度算法( CSCAN) SCAN存在的问题：当磁头刚从里向外移动过某一磁道时，恰有一进程请求访问此磁道，这时该进程必须等待，待磁头从里向外、然后再从外向里扫描完所有要访问的磁道后，才处理该进程的请求，致使该进程的请求被严重地推迟。,CSCAN调度算法,磁头移动的磁道数：50+10+24+94+32+3+16+1+20=250,例题（P99）,例4-1 例4-2,4.4 数据传输的方式,4.4.1 设备控制器 I/O设备包括一个机械部件和一个电子部件。 电子部件称为设备控制器或适配器，在PC中，常常是插入主板扩充槽的印刷电路板； 机械部件则是设备本身。,单总线结构的I/O系统结构实例,设备控制器组成,数据,状态,控制,4.4.2 程序循环测试方式,设备控制器 数据寄存器 状态寄存器 CPU 启动输入/输出指令，start 测试设备控制器中状态寄存器内容的指令，test,数据传输方式 用户进程使用start指令启动设备，不断执行test指令，测试设备的状态寄存器。完成操作，停止测试。,4.4.3 中断方式,中断：使CPU暂时中止正在执行的程序而转去处理特殊事件的操作。,特点：,CPU启动设备后，不必忙着查询I/O准备情况，CPU和I/O设备可实现部分并行。 I/O操作包括：启动设备，数据传输，I/O管理及善后处理。 数据寄存器满，控制器发送中断请求，一次数据传输可能要发生多次中断。,4.4.4 直接存储器存取方式,DMA：直接存储器存取（Direct Memory Access） 适用于高速I/O设备,特点,（1）DMA控制器是在获得总线控制权的情况下直接与内存储器进行数据交换，CPU不介入数据传输的任何事宜 （2）DMA方式下，设备与内存储器之间进行的是成批数据传输 （3）DMA方式传输时，CPU不得使用总线，无并行工作问题 （4）DMA方式下，CPU只作启动和善后处理工作，数据传输和I/O管理均DMA负责。,4.4.5 通道方式,通道：独立于CPU的，专门用于输入输出的处理机。 通道命令字：通道自行的指令 通道程序：通道命令字构成，通道执行，规定设备自行的操作和顺序。 通道地址字：通道程序存放在内存中的起始地址。,带有通道的I/O结构图,通道I/O过程,特点,CPU对I/O请求只作启动和善后处理，输出输出及数据传输全部由通道独立完成，CPU与设备之间真正并行操作。,4.5 设备管理中的若干技术,4.5.1 I/O缓冲技术 缓冲：为了匹配CPU和设备之间的速度差异 例：假定某打印机缓冲存储器大小32KB，若打印64KB数据，CPU将前32KB传送到缓冲区后执行其他操作。打印完成，向CPU发出中断，CPU再传送后32KB。 若没有中断和缓冲，CPU必须等待打印机打印完1B才能继续传送下一字节。,缓冲实现方法,采用专门硬件寄存器：如数据寄存器硬件缓冲 在内存中开辟n个内存单元软件缓冲 根据系统设置缓冲区的个数，可以分为单缓冲,双缓冲，多缓冲和缓冲池,（1）单缓冲 （2）双缓冲,生产者,缓冲区,消费者,生产者,消费者,缓冲区1,缓冲区2,（3）多缓冲 系统为同类型的输入输出设备设置两个公共缓冲队列，一个用于输入，一个用于输出。 （4）缓冲池 系统为同类型的输入输出设备设置一个公共缓冲队列，既用于输入也用于输出。,4.5.2 虚拟设备与SPOOLing技术,独占设备 虚拟设备：操作系统利用大容量的共享设备磁盘作为后援，用软件技术模拟独占设备的工作，使得每个用户感觉自己独占该设备。用一类物理设备模拟出的另一类设备称为“虚拟设备”。 实现条件：硬件大容量磁盘 软件多道程序设计,作业1信息,作业n信息,作业1结果,作业n结果,预输入程序,缓输出程序,井管理 读程序 井管理 写程序,作业的执行,作业1信息 作业n信息,作业1结果 作业n结果,输入井,输出井,SPOOLing系统工作示意图,SPOOLin