操作系统基础

1,2019/4/1,第5章 设备管理,5.1 I/O系统 5.2 I/O控制方式 5.3 缓冲管理 5.4 设备分配 5.5 设备处理 5.6 磁盘存储器管理,2,2019/4/1,关于设备管理,计算机系统的一个重要组成部分是I/O系统。 该系统包括 实现信息输入、输出和存储功能的I/O设备 相应的设备控制器，有的大中型机还有I/O通道或I/O处理机。 基本任务：完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O设备的利用率。 主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及设备独立性等。,3,2019/4/1,5.1 I/O系统,5.1.1 I/O设备 5.1.2 设备控制器 5.1.3 I/O通道,4,2019/4/1,5.1.1 I/O设备的类型,I/O设备的类型繁多，从OS的观点，按其重要的性能指标进行分类如下： 按传输速率分类： 低速、中速、高速（键盘、打印机、磁盘） 按信息交换的单位分类： 块设备：有结构、速率高、可寻址、DMA方式控制 字符设备：无结构、速率低、不可寻址、中断方式控制,5,2019/4/1,按设备的共享属性分类： 独占设备：打印机 共享设备：一个时刻上仍然是只被一个进程占用。可寻址、可随机访问的设备。磁盘。 虚拟设备：使一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供给若干用户“同时使用”。,6,2019/4/1,5.1.2 设备控制器,设备并不直接与CPU通信 计算机中的一个实体“设备控制器”负责控制一个或多个I/O设备，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换。 控制器是CPU与I/O设备之间的接口，负责接收从CPU发来的命令，并去控制I/O设备工作。,9,2019/4/1,定义：I/O通道是一种特殊专门负责I/O的处理机： 指令类型单一，只用于I/O操作； 通道没有内存，它与CPU共享内存。 根据其控制的外围设备的不同类型，信息交换方式也可分为以下三种类型： 字节多路通道：一次一字节，连低速外设 数组选择通道 数组多路通道,5.1.3 I/O通道,10,2019/4/1,5.2 I/O控制方式,程序I/O方式 中断驱动I/O方式 直接存储器访问DMA I/O通道控制方式,宗旨：减少主机对I/O控制的干预，将CPU从繁杂的I/O控制事物中解脱出来。,11,2019/4/1,5.3 缓冲管理,引入缓冲区的主要原因： 缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 使用缓冲区的方式： 1）单缓冲、多缓冲 2）循环缓冲 3）缓冲池（Buffer Pool）,12,2019/4/1,单缓冲,双缓冲,以输入数据为例，比较三个时间：数据输入缓冲区用时T、从缓冲送入到用户内存区用时M、CPU计算用时C。 单缓冲下，T、C可并行。所以输入用时： max（ T、C ）+M,13,2019/4/1,5.4.1 设备分配中的数据结构,记录相应设备或控制器的状态，及对设备或控制器进行控制所需的信息。所需数据结构： 设备控制表 控制器控制表 通道控制表 系统设备表,5.4 设备分配,14,2019/4/1,设备控制表（DCT）,系统为每一设备都配置一张 记录本设备的情况。,指向因请求该设备而阻塞的进程的PCB组成的队列。,15,2019/4/1,控制器控制表（COCT）,系统为每一控制器都配置一张 记录本控制器的情况。,通道控制表CHCT,16,2019/4/1,系统设备表（SDT）,系统根据进程对设备的请求进行设备分配的过程：,SDT DCT COCT CHCT,17,2019/4/1,5.4.2设备独立性,应用程序独立于具体使用的物理设备(使应用程序用逻辑设备名来请求某类设备, 独立于具体的物理设备)。 一个程序应独立于它使用的设备 程序要尽可能地与它使用的设备类型无关 带来的好处是: (1) 设备分配的灵活性 (2) 易于实现I/O的重定向,18,2019/4/1,引入两个概念：,逻辑设备：用户应用程序中请求的设备 物理设备：系统实际执行时使用的设备 设备分配时需实现： 逻辑设备地址映射到物理设备地址,基本硬件控制,所有设备的公有操作： 独立设备的分配与回收 逻辑设备映射为物理设备 设备保护 缓冲管理 差错控制 给上层的接口,19,2019/4/1,逻辑设备名到物理设备名的映射,逻辑设备表LUT（Logical Unit Table） LUT的设置问题 整个系统设置一张LUT（设备重名问题） 为每个用户设置一张LUT，记入各自PCB。,20,2019/4/1,5.4.3 设备分配中的虚拟技术 SPOOLing技术,虚拟性是OS的四大特征之一。 如何将一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑I/O设备，允许多个用户共享“同时使用” ？,21,2019/4/1,返回,假脱机技术,多道程序技术引入后，可专门利用一道程序（SPOOLing程序）模拟脱机输入/ 输出工作的外围机，完成设备的I/O操作。 称这种联机情况下实现的同时外围操作为SPOOLing 技术 （Simultaneous Periphernal Operating OnLine，或称为假脱机操作） 多道是前提，还需高速、大容量、可随机存取的外存支持。,22,2019/4/1,SPOOLing系统的组成,输入设备,输出设备,CPU,模拟的外围机 （软仿硬）,以CPU的视角， 就把磁盘当设备,23,2019/4/1,SPOOLing系统的组成,输入井和输出井：磁盘上开辟两大存储空间。输入井模拟脱机输入的磁盘设备，输出井模拟脱机输出时的磁盘。 输入缓冲区和输出缓冲区：为缓解速度矛盾，内存中开辟两大缓冲空间，输入缓冲区暂存输入设备送来的数据，再送给输入井；输出缓冲区暂存输出井送来的数据，再送输出设备。 输入进程和输出进程：模拟外围设备控制器。 输入进程：把低速输入设备上的数据 高速磁盘输入井； 输出进程：把数据从磁盘上 低速输出设备输出井。,24,2019/4/1,5.5 磁盘存储器管理,磁盘性能简述 磁盘调度方法 磁盘高速缓存 提高速度的其他方法,25,2019/4/1,1）磁盘性能简述,首先与格式有关 数据的组织和格式 盘片、面、磁道、扇区 为方便处理，每条磁道存储容量相同，每个磁道上的每个扇区相当于一个盘块。磁盘”格式化”的过程就是按规定的格式规划盘块。,如温盘格式： 每道30个扇区，每扇600个字节。512字节用于存放数据，其余存放控制信息。 标识符字段：1个字节作为该字段的定界符；三维字段寻址；段CRC校验 数据字段：每个扇区512字节。,26,2019/4/1,与速度有关 磁盘类型 固定磁头（每道一磁头） 移动磁头（每盘一磁头） 访问时间的计算 寻道时间（到磁道） 旋转延迟（到扇区） 传输时间 传输时间占总时间的比例最小，磁盘读写速度的提高要选择合适的调度算法，减少前两项用时，使所有作业的磁盘处理时间均衡。,27,2019/4/1,28,2019/4/1,硬盘磁头读写时的运行,29,2019/4/1,磁盘的访问时间,寻道时间（Seek Time) 不是一个固定值 一般在几毫秒几十毫秒间 旋转延迟时间(Rotational Delay Time) 与旋转速度有关 数据传输时间(Transfer Time) 内部数据传输率: 10100MB/s 外部数据传输率 取存时间（Access Time) 寻道时间+旋转时间,30,2019/4/1,多进程访问磁盘的调度算法,合理调度, 提高整个磁盘系统的运行效率 （1）整个磁盘系统的吞吐量 （2）平均响应时间 （3）公平性（不希望出现饿死现象）,31,2019/4/1,FCFS,多个进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。 磁盘I/O执行顺序按磁盘请求的先后顺序。,设开始位置为53,32,2019/4/1,最短寻道时间优先SSTF,选择从当前磁头位置出发移动最少的磁盘I/O请求 使每次磁头移动时间最少。 不一定是最短平均柱面定位时间，但比FIFO算法有更好的性能。 对中间的磁道有利，但可能会有进程处于饥饿状态（I/O请求总不被执行）。,33,2019/4/1,扫描算法SCAN（磁盘电梯调度算法）,SSTF会导致“饥饿”现象 总选择最近的磁道访问，远磁道请求的进程会长时间得不到执行。 改进： 考虑距离的同时，更优先考虑方向 SCAN算法 规定磁头移动方向：自里向外，再自外向里移动。 后续的I/O磁道请求，哪个在规定方向上距离最近，就先执行哪个。 如当前为100，后续要求55，86，95，180，165，105 先由内向外：选最近的105执行，再判断剩余的，选165，180。 再由外向内：95，86，55,对55号磁道请求的进程相对“饥饿”很久,34,2019/4/1,循环扫描CSCAN SCAN的错过问题： 容易错过与当前磁道距离近，但方向不一致的磁道。 修改：将SCAN规定的移动方向改为“单向移动” 由里向外后，再由里向外。,35,2019/4/1,要点,虚拟设备是指：,通过虚拟技术将一台独占设备改造成若干台逻辑设备，供若干个用户进程同时使用。,按信息交换单位分类，可将设备分为：,块设备和字符设备。,通道是：,负责I/O的处理机。,字节多路通道主要用作：,连接大量的低速I/O设备。,36,2019/4/1,从资源分配的角度看，操作系统将外部设备分为：,独占型设备、共享型设备、虚拟设备。,根据信息交换