2022年自考操作系统原理--设备管理

1、设备管理设备管理的功能把文件存放到存储介质上时，必须要对外围设备进行启动和控制，这部分功能由操作系统中的设备管理完成。设备管理的功能外围设备的分类存储设备：磁盘机、磁带机输入/输出型设备：显示器、输入机、打印机存储型设备能使大量信息存储到存储介质上，能做为主存的扩充，也成为辅存。输入输出型设备把外界的信息输入到计算机，把运算结果输出。设备管理的功能主存和外设之间的信息传送称为输入/输出操作。对存储型设备，输入/输出操作的信息传送单位为“块”。对输入/输出型设备，输入/输出操作的信息传送单位为“字符”。设备管理的功能设备管理带来的好处：启动外设的事务不由用户承担实现外设的共享，提高设备的利用率实

2、现外设和其他计算机部件的并行操作，提高系统利用率处理故障，防止用户错误的使用外设，提高系统可靠性和安全性设备管理的功能实现对外围设备的分配和回收实现外围设备的启动实现对磁盘的驱动调度处理外设的中断事件实现虚拟设备外围设备的分类从使用的角度分析外围设备的特性，可以把外设分成两类：独占设备和可共享设备。作业执行过程中只允许一个作业独占的设备称为独占设备。可以让若干个作业同时使用(交替使用)的设备称为可共享设备。独占设备的管理实现多道程序设计的计算机系统可以同时接纳多个用户作业，每个作业都需要使用一些外设，有的时候几道作业可能要求使用同样的外设，对于设备管理来说，必须决定分配外设的策略，尽可能满足作

3、业的要求和提供设备利用率。设备的绝对号与相对号计算机系统中配置有各种不同类型的设备，每一类设备又可以有多台，为了对设备进行管理，为每台设备确定一个编号，这个编号称为设备的绝对号。用户无法知道哪台设备空闲，用户申请设备时不能使用绝对号。只要向系统说明所要设备的类型，实际分类哪一台由系统决定。设备的绝对号与相对号用户可能同时使用几台同类型设备，为了避免使用时的混乱，用户可以把自己要求使用的若干台设备编号，由用户对自己需要使用的若干台设备给出的编号称为设备的相对号。用户总是用“设备类、相对号”来提出使用设备。系统在为用户分配具体设备时就建立“设备类、相对号”和“绝对号”的对应关系。独占设备的分配作业

4、申请独占设备时，应指定所需的是什么设备，指定的方式有两种：指定“绝对号” ： 系统把与绝对号对应的设备分配给作业，如果已占用或有故障，作业等待。通常，用户不用指定具体设备，而是指定哪种设备多少台，用户在程序中使用“设备类、相对号”定义逻辑设备。由系统将逻辑设备转换成物理设备，并启动设备工作。用户编制程序时使用的设备与实际占用的设备无关，这种特性称为设备的独立性。独占设备的分类设备独立性带来的好处：系统只要从指定类别的设备中找出“好的且尚未分配的”设备来分配万一设备出现故障，系统可以再找一台“好的且尚未分配的”设备来替换独占设备的分类在设备分配策略上，对磁带机、输入机、打印机等只适合独占的设备总

5、是采用静态分配策略。静态分配：仅当一个作业所需的独占设备能够得到满足时，该作业才能被装入主存执行，作业撤离时，收回分配给它的设备。独占设备的分类为了记录设备的分配情况，系统可以设置设备分配表，指出系统所配置的独占设备类型、数量以及分配和使用的情况。设备分配表由两部分组成：设备类表、设备表设备类总台数现存台数设备表始址打印机11输入机21磁带机22设备类表绝对号好/坏已/未分配占用作业名相对号001好未分配002好已分配J1001003好未分配004好未分配005好未分配设备表独占设备的分类用户申请使用某台设备时，先查设备类表。若果现存的台数能够满足申请要求，则依次检查该类设备，找出“好的且尚未

6、分配的”设备分配给用户。分配后修改“现存台数”，“已/未分配”标志，填上作业名和作业中定义的相对号，并把设备的绝对号和相对号对应关系通知用户。独占设备的分类作业撤离时回收作业占用的全部设备根据作业名在设备表中找到该作业占用的全部设备，把标志改为“未分配”，清除作业名。把回收的台数加到“现存台数”中。访问磁盘的操作时间任何一个访问磁盘的请求，都应给出访问磁盘的存储空间地址：柱面号、磁头号、扇区号。先把移动臂移到指定柱面，再等待指定的扇区旋转到磁头下面，让指定的磁头进行读/写。磁盘执行一次输入/输出操作所花费的时间：寻道时间、延迟时间、传送时间三个部分组成。磁道磁臂磁头磁盘的驱动调度磁盘是一种共享

7、设备，同时会有若干个进程要求访问磁盘，但每个时刻只允许一个访问者启动。系统会采用一定的调度策略来决定等待访问者的执行次序，这项决定访问者执行次序的工作称为驱动调度，采用的调度策略称为驱动调度算法。磁盘的驱动调度磁盘驱动调度包括：移臂调度和旋转调度两部分。一般先进行移臂调度，再进行旋转调度。移臂调度的目标是尽可能减少寻找时间。旋转调度的目标是尽可能减少延迟时间。移臂调度根据等待访问者指定的柱面位置来决定次序的调度称为“移臂调度”。先来先服务调度算法按照访问者提出访问请求的先后次序。假设磁盘位于53号柱面，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67号柱面014375365

8、6798122124183199最短寻找时间优先调度算法最短寻找时间优先调度算法总是从等待访问者中挑选寻找时间最短的那个请求先执行。假设磁盘位于53号柱面，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183电梯调度算法电梯调度算法总是沿着臂的移动方向选择最近的那个柱面的访问者，如果移动方向上无请求，就改变臂的移动方向再进行选择。假设磁盘位于53号柱面，假设磁臂移动方向从内向外(向0号柱面方向)，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183电梯调度算法假设

9、磁盘位于53号柱面，假设磁臂移动方向从外向内(向柱面号增大方向)，等待者依次要求 98，183，37，122，14，124，65，67号柱面0143753656798122124183旋转调度移臂定位之后，可能会有多个访问者访问该柱面，从效率考虑应优先选择延时时间最短的访问者去执行，根据延迟时间来决定执行次序的调度称为旋转调度。旋转调度若干请求者要求访问相同磁头下的不同扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求1号请求旋转调度若干请求者要求访问不同磁头下的不同扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区磁头4扇区5扇区1号请求0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求旋转调

10、度若干请求者要求访问不同磁头下的相同扇区。0扇区1扇区2扇区3扇区磁头4扇区5扇区1号请求0扇区1扇区2扇区3扇区旋转方向磁头4扇区5扇区2号请求例1：有四个访问5号柱面的访问者，访问要求如表所示：请求次序柱面号磁头号扇区号(1)541(2)515(3)545(4)528练习 P187 9信息的优化分布信息在磁道上的排列方式也会影响旋转调度时间。例：磁盘每个盘面8个扇区，每次请求从磁盘上读一个记录，对读出的记录花5ms的时间进行处理，然后再读下一个记录，直至处理结束，假设磁盘转速每周20ms，记录在磁盘上的分布如图所示：L7L5L4L3L2L1L6L8始点旋转方向处理完这8个记录需要多长时间信

11、息的优化分布L3L5L2L7L4L1L8L6始点旋转方向处理所有记录花的时间为： 8 * (2.5 + 5) = 60ms练习 P187 10通道结构和通道程序现代计算机系统引入了通道结构，主存和外设之间传送信息的操作不再由中央处理器承担，而改由通道承担。中央处理器只需启动通道，通道就能按指定的要求独立地完成输入/输出操作，中央处理器做其他工作，从而使得中央处理器与外设可以并行工作。由于通道可以独立工作，各通道上的外围设备也能并行工作。由于通道能单独地完成输入/输出操作，所以把通道称为I/O处理机。通道结构和通道程序通道命令(channel command word,CCW)计算机硬件提供一组

12、“通道命令”，每一条通道命令规定了设备的一种操作，通道命令由通道执行。操作系统可以用若干条通道命令来规定通道应做的工作，若干条通道命令就构成了通道程序。通道命令CCW不同的操作系统通道命令格式不同，一般由命令码、数据主存地址、传送字节数、标志码组成。例如IBM系统通道命令用8字节表示：要控制外围设备完成指定工作，首先要用通道程序把要求表示出来，然后启动通道，通道按照通道程序的要求指定外设工作。命令码传送字节数标志码数据主存地址063通道命令CCW例：用户要求从打印机上输出一行信息“operating system”，信息打印在新的一页第4行， “operating system”存放在主存00

13、1000号单元，占16个字节，编制一个含有三条命令的通道程序，程序存放在主存的K号单元开始的区域中。(16进制表示)走到新页开始，继续下一条命令走纸到第四行，继续下一条命令打印主存001000开始的16个字节数据，通道程序结束07 000000 60 000001EF 000000 60 000001F9 001000 00 000010KK+8K+1600100000100FOperating System主存通道地址字(channel address word,CAW)编制好的通道程序是放在主存的，主存中设置一个固定单元存放通道程序首地址，这个存放通道程序首地址的主存固定单元称为通道地址字

14、(CAW)。07 000000 60 000001EF 000000 60 000001F9 001000 00 000010KK+8K+16主存KCAW通道状态字(channel status word，CSW)当通道被启动后，在执行通道程序时，需要把通道和设备执行操作的情况记录下来。通道程序执行结束时，被记录的执行情况存储到主存的一个固定单元中，这个单元称为通道状态字(CSW)通道状态字(channel status word，CSW)IBM系统的通道状态字：通道命令地址：下一条通道指令在主存中的地址设备状态：设备和设备控制器识别的状态，忙、出错、结束等通道状态：通道识别的状态剩余字节数：

15、最近的一次通道命令执行后还剩多少字节没有传输完通道命令地址剩余字节数通道状态设备状态06348474039323187外围设备的启动准备阶段文件管理确定文件物理地址以及信息存放的主存地址用户请求存取文件设备管理组织通道程序，把通道程序在主存的首地址写入通道地址字(CAW)告知设备管理外围设备的启动启动I/O阶段设备管理程序组织“启动I/O”指令，参数为通道号和设备号，CPU执行 “启动I/O”指令通道收到指令后，根据自己和设备的工作情况形成条件码，向中央处理器报告是否成功启动分析条件码，若成功启动，中央处理器继续执行其他进程从通道地址字中取出通道程序首地址，装入通道状态字,按照程序要求控制设备

16、工作，执行的情况记录在通道状态字中外围设备的启动结束处理阶段通道发现通道状态字中有结束、出错等情况将产生中断的通道号、设备绝对号报给中断控制器，中断状态字CSW写入主存发出I/O中断保护断点，分析中断原因，转向中断处理程序设备处理一致性具有通道的计算机系统，从启动外设到输入/输出完成，都不考虑物理设备的特性，使用统一方法进行处理，这种不考虑设备的具体物理特性的处理方法称为设备处理一致性。I/O中断事件的处理I/O中断事件可以分为操作正常结束和操作异常结束两大类，这两类中断的处理原则如下：操作正常结束通道状态字中有通道结束、设备结束、控制器结束时，表示通常完成了通道程序规定的操作。操作系统根据通

17、道号、设备号查询设备分配表，得到进程名称，将进程状态由“等待”变成“就绪”I/O中断事件的处理操作异常结束设备故障执行输入/输出操作时，发现硬件故障等情况时形成操作异常结束的I/O中断。操作系统处理这类事件的原则是让通道程序复执。设备特殊打印机缺纸、磁带到了末尾等特殊情况操作系统分类处理，通知操作员装纸，换磁带等。缓冲技术缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。在主存中开辟缓冲区，用来临时存放输入/输出信息。在操作系统中，把利用缓冲区来缓解处理器与外设之间速度不匹配的矛盾而采用的技术称为缓冲技术。核心： “提前读，延迟写”无缓冲I/O设备工作区用户进程T处理p不采用缓冲技术，一块数据的平均处

18、理时间为T+p单缓冲I/O设备缓冲区工作区用户进程Tt处理p采用单缓冲，一块数据的平均处理时间为max(T,p) + tT1t1p1T2t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设p TT2T1t1p1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设p TT2T1t1p1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5假设 p+t Tp1T2T1t1t2p2T3p3t3T4p4t4T5p5t5缓冲池主存中设置一组缓冲区，这一组缓冲区称为缓冲池。缓冲池是公共资源，可供各进程共享，由操作系统统一分配和管理。缓冲池用户请求读磁盘文件，首先为其分配一个或几个缓冲区，然后启动磁盘将文件读到缓冲区中，当把

19、缓冲区的信息传送到工作区后，缓冲区信息保留。用户请求把文件保存在磁盘上时，首先为其分配一个或几个缓冲区，然后把主存中的文件信息复制到缓冲区中，不启动磁盘保存该文件。直到缓冲区要被回收时，才写会磁盘-“延迟写”。虚拟设备操作系统利用共享设备来模拟独占设备的工作，并且让每个作业都感觉自己独占设备，操作系统采用的这种技术成为“虚拟设备”。为什么要提供虚拟设备独占设备通常采用静态分配方式占有打印机的作业，只有一部分时间使用打印机，其余时间即使不用，也不允许其他作业用，不能有效利用设备当系统只配有一台输入机、一台打印机的时候，就不能接受两个以上的作业同时运行，不利用多道并行独占设备大多是低速设备，作业执

20、行过程中等待时间长而延长了作业的执行时间虚拟设备的基本条件硬件条件大容量的硬盘中断装置通道软件条件支持多道程序设计虚拟设备的实现原理输入机主存J1J3J2打印机结果输入机主存J1J3J2打印机结果磁盘磁盘虚拟设备的实现技术为了实现虚拟设备，必须在磁盘上划出称为“井”的专用空间。输入井：存放作业的初始信息输出井：作业的执行结果SPOOLING系统操作系统中实现虚拟设备的功能模块是在计算机控制下通过联机的外围设备同时操作(simultaneous peripheral operation on line),简称spooling。Spooling系统组成输入机主存J1J3J2打印机结果预输入程序缓输

21、出程序J1J2J3输入井J1结果J2结果J3结果输出井井管理读程序井管理写程序Spooling系统数据结构作业名作业状态文件数其他预输入表位置缓输出表位置A执行B收容作业表输入井中的作业状态 输入态 ： 正在将作业信息传输到输入井 收容态： 作业已经存放在输入井中，但尚未被选中执行 执行态 ： 作业被选中并装入主存执行 完成态： 作业已执行结束，执行结果在输出井中等待输出Spooling系统数据结构文件名设备类长度其他文件存放始址F1输入机150第 78块F2输入机210第 24块预输入表文件名设备类长度其他文件存放始址F1打印机150第 200块F2打印机210第 216块缓输出表功能实现作

22、业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置输入机J1J3J2预输入程序输入井J1文件名设备类长度文件存放始址F1输入机150第78块F2输入机210第24块J1输入功能实现主存J1J2J3输入井井管理读程序作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置文件名设备类长度文件存放始址F1输入机150第78块F2输入机210第24块J1收容功能实现主存J2结果J3结果输出井井管理写程序作业名作业状态文件数预输入表位置缓输出表位置J1执行文件名设备类长度文件存放始址F1打印机150第 200块F2打印机210第 216块J1结果功能实现打印机结果缓输出程序J1结果J2结果J3结果输出井作业名作业状态文件

23、数预输入表位置缓输出表位置J1完成文件名设备类长度文件存放始址F1打印机150第 200块F2打印机210第 216块UNIX的设备设备分类块设备 ： 以块为单位和主存交换信息，是用来存储信息的设备，块设备也称存储设备。字符设备 ： 以字节为单位与主存交换信息，也称输入/输出设备。UNIX对每一类设备给出一个编号，称为主设备号，每台设备有一个编号，称为次设备号。请求设备工作时，给出主设备号和次设备号。设备文件UNIX把设备当做文件来对待，每个设备文件有文件名，并对它像文件一样操作。文件名索引节点号printer21#2#3#4#5#索引节点区文件存储区1#2#3#4#5#/dev目录di_mo

24、de：字符设备主设备号：2次设备号:32#索引节点：fd = open(“/dev/tty13”, o_RDWR);文件名索引节点号abc5user.h15tty1318不在主存从硬盘读入118/dev目录：i_mode：字符主设备号：1次设备号：2活动索引节点f_flag: o_RDWRf_count :1f_inode :f_offset : 0系统打开文件表fd进程打开文件表openclosereadwrite0coopencoclosecoreadcowrite1tyopentyclosetyreadtywrite2dzopendzclosedzreaddzwriteclose(fd)

25、;i_mode：字符主设备号：1次设备号：2活动索引节点f_flag: o_RDWRf_count :1f_inode :f_offset : 0系统打开文件表fd进程打开文件表openclosereadwrite0coopencoclosecoreadcowrite1tyopentyclosetyreadtywrite2dzopendzclosedzreaddzwriteUNIX块设备缓冲技术系统设置一批缓冲区，构成缓冲池。读操作(缓冲区信息全部传送至用户区后，内容保留)写操作(推迟写，不得不写时才往磁盘写)I/O设备缓冲区工作区用户进程I/O设备缓冲区工作区用户进程缓冲区控制块UNIX为磁盘的读写操作设置了一组缓冲区。每个缓冲区两部分构成：缓冲区数据区：存放文件信息缓冲区控制块：用于缓冲区的管理状态设备号块号指向数据区空闲缓冲队列向前指针设备缓冲队列向前指针空闲缓冲队列向后指针设备缓冲队列向后指针缓冲区控制块缓冲区队列缓冲区1缓冲区2缓冲区3缓冲区4空闲缓冲区队列缓冲区3缓冲区2缓冲区7缓冲区8缓冲区1缓冲区4缓冲区5缓冲区6设备2缓冲区队