操作系统课件08设备管理.ppt

第八章 设备管理 （一） 设备管理的基本概念 （二） 缓冲技术 （三） 设备分配技术 （四） 输入/输出控制 （一） 设备管理的基本概念 1、 计算机设备定义 在计算机系统中除CPU和内存储外所有的其它设备 ， 又称为计算机外部设备。 按照设备的功能分类： 1）存储设备 用来存放各种信息的设备称为存储设备（硬盘，U 盘，光盘，移动硬盘等等）。 2）I/O设备 （Input/Output） 用来向计算机输入和输出信息的设备（键盘，鼠 标，显示器，打印机，扫描仪等等）。 3）通信设备 如以太网卡、无线网卡等。 从不同的角度，可以对设备进行不同的分类 1. 按信息传输单位分类 （1）块设备 （2）字符设备 2. 按资源分配方式分类 （1）独占设备 （2）共享设备 （3）虚拟设备 3 2. 设备管理的目标 提高设备利用率 l 合理分配设备 l 提高设备与CPU、各外部设备之间的并行性 方便用户的使用 提供使用方便且独立于设备的界面 l 统一：对各种不同的设备提供一致的界面 l 独立于设备：用户使用的设备与物理设备无关 二. 设备管理功能 1.状态跟踪 通过设备控制块(DCB,Device Control Block)动态的 记录各种设备的状态。 2.设备分配与回收 作业级静态分配 作业进入系统时一次性分配，退出系统时收回全部资源。 进程级动态分配 进程提出设备申请时进行分配，使用完毕后立即收回。 3.设备控制 实施设备驱动和中断处理的工作。设备控制包括设备的 驱动、完成和故障中断处理。 三. 设备独立性 1、问题的引出 为了方便用户使用各种设备，需屏蔽设备的物理特性 2. 设备独立性的概念 即应用程序独立于具体使用的物理设备。为了实现设备独立性而引入了 逻辑设备和物理设备这两个概念。在应用程序中， 使用逻辑设备 名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时， 还必须使用物 理设备名称。 3、两类设备独立性 （1）一个程序应独立于分配给它的某种类型的具 体设备 即在用户程序中只指明I/O使用的设备类型 即可。如在系统中配备了两台打印机，用户要打 印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。 （2）程序要尽可能地与它使用的设备类型无关 即在用户程序中只要指出要输入或输出信息 ，至于信息I/O使用的设备不需用户指明。 8 n在Linux/UNIX系统中，把设备与文件统一处理，这 比前两种设备独立性又算了一步，对于用户来说， 就没有设备的概念。 7 3、设备独立性的实现 1）在高级语言中用软通道实现 使用高级语言提供的指派语句，通过指派一个逻辑设 备名 来定义一个设备或文件。 如：fd = open(“/dev/lp” ,mode) 2）在批处理系统中，用联接说明语句来定义 如：OUTPUT1 = LPT 3) 在交互系统中，用指派命令来定义 如：PDP系列机上的RT11系统 ASSIGN 设备物理名 设备逻辑名 4. 设备独立性的优点 n方便用户编程 n提高系统资源的利用率 n提高系统的可扩展性和可适应性 5. 设备控制块(DCB) 设备控制块是设备管理的数据结 构，用来存放设备的硬件特性、 连接和使用情况，每类设备有一 个设备控制块。 设备名 设备属性 指向命令转换表的指针 在I/O总线上的设备地址 设备状态 当前用户进程指针 I/O请求队列指针 n设备转换表（设备开关表 ） 设备开关表存放设备驱动 和控制程序人口地址。 （二） 缓冲技术 一、缓冲的概念 1、定义：缓冲是两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过 程的常用手段。 为什么要使用缓冲 解决两种设备之间传输信息时速度不匹配 慢速设备快速设备 慢速设备快速设备 中速设 备缓冲 2. 缓冲的实现 （1）缓冲器（硬件实现） 用来暂时存放数据的一种硬件存储装置，容量较小。 （2）软件缓冲区（软件实现） I/O操作期间，用来临时存放I/O数据的一块主存区域。 12 3. 利用缓冲技术如何进行I/O操作 进程请求从输入设备进行读操作的图示 输入设备 BUF 进程 与需要同步 13 进程请求从输入设备进行读操作的步骤 当用户要求在某个设备上进行读操作时，首先从系统中获得一个空 的缓冲区 ； 将一个物理记录送到缓冲区中 ； 当用户请求这些数据时，系统将依据逻辑记录特性 从缓冲区中提取并发送到用户进程存储区中 ； 当缓冲区空而进程又要从中取用数据时该进程被迫 等待。此时，操作系统需要重新送数据填满缓冲 区，进程才能从中取数据继续运行。 要注意操作与操作的同步关系 14 进程请求从输出设备进行写操作的图示 与需要同步 输出设备 BUF 进程 15 进程请求从输出设备进行写操作的步骤 当用户要求进行写操作时，首先从系统中获得一个 空的缓冲区 ； 将一个逻辑记录从进程存储区传送到缓冲区中 ； 当缓冲区写满时，系统将缓冲区的内容作为物理记 录文件写到设备上，使缓冲区再次为空 ； 只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，进程又企图 输出信息时，它才需要等待。 要注意操作与操作的同步关系 二、常用的缓冲技术 常用的缓冲技术： 双缓冲、环形缓冲、缓冲池 16 双缓冲 在双缓冲方案下，为输入或输出分配两个缓冲区buf1 、buf2 。 输入数据时，如何利用双缓冲 输出数据时，如何利用双缓冲 17 输入数据时，如何利用双缓冲 输入设备 BUF1 进程 BUF2 18 输出数据时，如何利用双缓冲 输出设备 BUF1 进程 BUF2 缓冲池 系统设置多个缓冲区，形成一个缓冲池。这个池中的 缓冲区为系统中所有的进程共享使用。 为了管理这些缓冲区，建立相应的数据结构： 缓冲区管理信息数据结构 空闲缓冲区队列 满缓冲区队列等 （三）设备分配 静态分配 当一个作业（或进程）运 行时，根据作业要求的设备， 系统如果能满足，则将其要求 的设备全部分配给它，然后开 始运行，运行完成释放其占用 的所有设备。 这种分配方式的优点是系 统绝不会出现死锁，缺点是设 备利用率太低。 动态分配 这种分配方法是在作业（或进 程）运行的过程中，需要使用 设备时，就向系统申请，系统 根据某种分配原则进行分配。 这种方法的优点是设备的利用 率高，缺点是系统有出现死锁 的可能。 设备分配的主要技术： n独享分配 n共享分配 n虚拟分配 独享分配独享设备 1. 什么是独享设备 在一段时间内，由一个作业或进程独自占用（即使没 有使用）的设备，例如打印机等等。 2. 什么是独享分配（使用静态分配） 在一个作业执行前，或进程提出资源申请后，将所要 使用的设备分配给它；当作业结束，或进程释放后， 才将分配给它的这类设备收回（不能强行收回）。 共享分配 1. 什么是共享设备 由多个作业、进程共同使用的设备称为共享设备，例如磁 盘等等。 2. 什么是共享分配 （使用动态分配） 当进程提出资源申请时，由设备管理模块进行分配。进程 使用完毕后，立即收回。 虚拟分配 虚拟分配虚拟分配 当进程需要与独占型设备交换信息时，系统将分配磁盘空当进程需要与独占型设备交换信息时，系统将分配磁盘空 间，并建立相应的数据结构，这种分配方法称为设备的虚间，并建立相应的数据结构，这种分配方法称为设备的虚 拟分配。拟分配。 虚拟设备虚拟设备 通常把用来代替独占型设备的那部分外存空间(包括有关的 控制表格)称为虚拟设备。 虚拟技术虚拟技术 所谓虚拟技术，是在一类物理设备（如外存）上模拟另 一类物理设备（如打印机）的技术，是将独占设备转化 为共享设备的技术。 nSPOOLing，全名：Simultaneous Peripheral Operations OnLine ，即外部设备联机并行操作，通常也叫做“假脱机技术”。是一种预 输入、缓输出和转储的管理技术。 必要条件1（互斥条件）：难以否定， 解决办法：假脱机技术 (1) 预输入 在作业需要数据前，操作系统已将所需数据预先输入到辅 存输入井存放。当作业（或进程）需要数据时，可以从辅 存中读入内存。 (2) 缓输出 在作业执行时，将输出数据写入辅存输出井中。当作业（ 或进程）执行完毕（或需要数据时），由操作系统将数据 输出。 共享打印机 共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。 当用户 进程请求打印输出时， SPOOLing系统同意为它打印输出， 但并不真正 立即把打印机分配给该用户进程， 而只为它做两件事： 由输出进程 在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区， 并将要打印的数据送入其中； 输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表，并将用户的 打印要求填入其中， 再将该表挂到请求打印队列上。 SPOOL系统的优点： u提高了I/O速度 u提高了设备利用率和系统的吞吐能力（将独享设备改造为 共享设备）； u实现对独占设备的改造和提高了进程的并发度和执行效率 （实现了虚拟设备功能） （四） 输入输出控制 1、设备I/O（数据传输）方式 1）程序查询方式 2）中断控制方式 3）DMA方式 4）通道方式 程序I/O方式 在程序I/O方式中，由于CPU的高速性和I/O设备的低 速性， 致使CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成 数据I/O的循环测试中， 造成对CPU的极大浪费。在该方 式中，CPU之所以要不断地测试I/O设备的状态。 I/O中断方式 在I/O设备输入每个数据的过程中，由于无须 CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。 仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短的时间 去做些中断处理。可见，这样可使CPU和I/O设 备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源 利用率及吞吐量。 DMA(Direct Memory Access)控制方式的引入 该方式的特点是： 数据传输的基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送 至少一个数据块； 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反； 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需CPU干预，整块数 据的传送是在控制器的控制下完成的。 可见，DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPU对I/O的干预，进一 步提高了CPU与I/O设备的并行操作程度。 I/O通道控制方式 I/O通道方式是DMA方式的发展，它可进一步减少CPU的干预，即把对一 个数据块的读(或写)为单位的干预，减少为对一组数据块的读(或写)及有