《设备管理统一模板》PPT课件.ppt

第六章 设备管理,I/O接口,磁盘管理,I/O控制方式,缓冲管理,系统总线,6.1 I/O硬件组成,6.1.1 系统总线 1.没有总线的计算机系统 两两部件独立相连，相互通信时双方必须停止其他工作，降低了部件的工作效率； 随着计算机部件的增多，内部连线非常复杂，不利于系统设备的扩展。 2.总线概念 总线是计算机中各个通信模块共享的，用来在这些部件之间传送信息的一组导线和相关的控制和接口部件。,3. 总线的分类（按任务分） CPU内部总线：寄存器之间，寄存器与ALU之间。 系统总线：CPU与主存或I/O设备之间的信息传送线，又称为外总线。 通信总线：计算机系统之间或计算机系统与外部设备之间的信息传送线。,系统总线的结构 1.单总线结构,任何两个部件之间可以直接进行信息交流，提高了计算 机的灵活性和工作效率，但由于总线是临界资源，单总线 会增加总线负载，影响操作速度。,2.双总线结构,CPU和主存之间的数据交换通过专用总线进行，减轻了系统总线的负担。,3.三总线结构,通道又称为I/O处理机，统一管理外部设备，实现主存与外设之间的数据传输，分担了CPU的部分功能。,系统总线的分类（按传输信息内容不同分） 1.地址总线 传送主存单元地址或者I/O设备的端口地址。 2.数据总线 完成总线上各功能部件之间的数据传送。 3.控制总线 传送定时信号和命令信息，以实现对设备的控制和监视。 4.系统总线由多个部件或设备共享，但任何时刻都只能由一个设备向总线发送信息，所以对总线的使用需要协调。,总线的信息传输方式 串行传输：每次传送一位，只需一根数据线。适用于慢速设备，如键盘、鼠标等。 并行传输：每位数据需要一根数据线，多位数据一起传输。 注意：总线和设备接口之间总是以并行方式传送数据，但设备和接口之间可能以并行方式，也可能以串行方式。,6.1.2 I/O设备 设备分类 块设备：磁盘、磁带，块大小512B32KB，通常为512B。块设备的特点是速度快、可随机访问。 字符设备：键盘、行式打印机。特点是速度低、不可寻址、I/O采用中断驱动。,6.1.3 设备控制器,设备控制器或适配器是I/O设备的电子部分，它是CPU与I/O设备之间的接口，它接收从CPU发来的命令，并控制I/O设备工作。通常一台控制器可控制多台同一类型的设备。,设备控制器的组成,设备控制器的主要任务 1）接收和识别命令 2）数据交换 3）了解设备的状态 4）地址识别,6.1.4 设备通道,虽然设备控制器可以对设备进行控制，但当外设很多时，CPU负担过重，为此在CPU与控制器之间增加设备通道，实现对所有外设的统一管理。 设备通道是特殊的处理机 指令单一 没有内存,通道的连接方式,单通路 多通路 设备与计算机之间有多条通道，增加灵活性。 增强可靠性。某通道、控制器坏，也不会影响数据交换。,6.1.5 I/O接口,1.I/O接口 计算机与I/O设备或其他系统之间的逻辑控制部件。,2.I/O接口的基本功能 实现主机与外围设备间的通信和控制； 设备的选择，操作时序的协调，中断请求与批准 实现数据缓冲，使主机与外设的工作速度匹配； 在设备控制器中设置一个或多个数据缓冲寄存器 接收主机的命令，提供设备和接口的状态。 在设备控制器中设置控制/状态寄存器,6.2 I/O控制方式, 发展经历了四个阶段 程序直接控制方式 中断驱动方式 DMA控制方式 通道方式 宗旨：尽量减少主机对I/O控制的干预。,6.2.1 程序直接控制方式,忙等待方式，缺点： CPU与外设只能串行工作。 CPU在一段时间内只能与一台外设交换数据信息。 无法发现和处理由于设备和其它硬件所产生的错误。,6.2.2 中断驱动方式,缺点： 由于数据寄存器只能存放一个字节，造成中断次数过多。 中断次数的急剧增加会造成CPU无法及时响应中断，出现数据丢失现象。,6.2.3 DMA控制方式,中断方式比程序I/O方式有效，但它是以字节为单位进行的，且CPU对I/O的干预频繁。 1.DMA方式的特点 数据传输的基本单位是数据块； 所传送的数据是直接在设备和内存之间进行； 仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时，才需CPU干预。,DMA控制器的组成,增加两类寄存器： 内存地址寄存器MAR 数据计数器D,DMA工作过程,当CPU需要从磁盘读数据时，便向磁盘控制器DMA发命令 该命令送命令寄存器CR 将内存地址送内存地址寄存器MAR 本次要读的字节数送数据寄存器DC 启动DMA后，CPU干其他的事情，数据传送在DMA的控制下完成。,6.2.4 通道方式,DMA方式中cpu以数据块为单位干预I/O操作，但进程需要连续操作几个不连续的数据块时，CPU仍需多次干预。 1.通道方式特点 每条CPU发出的I/O指令可以实现对一组数据块的干预； 实现CPU、通道和设备的并行工作，提高资源利用率。,2.通道方式处理过程 通道方式通过通道处理程序，与设备控制器共同实现对I/O设备的控制。其步骤如下： 1）CPU发出指令； 2）通道取出内存中的通道处理程序执行； 3）设备根据通道指令的要求，执行相应操作； 4）通道程序执行结束，向CPU发出中断请求； 5）CPU进行中断处理。,6.3 I/O 设备管理,I/O管理的功能 监视设备的状态 进行设备分配 完成I/O操作 缓冲管理,6.4 I/O系统,用户进程进行I/O操作的步骤 用户进程调用操作系统提供的系统调用命令； 操作系统负责给用户进程分配设备、启动相关设备进行I/O操作； 在I/O操作完成时，用户进程产生中断； 系统响应中断，并进行相应的中断处理。,I/O层次结构,I/O层次结构（续）,I/O接口：系统调用，例如C语言中的库函数printf，scanf； I/O管理软件：实现所有设备共享的I/O功能，为用户提供统一接口； 设备驱动程序：接收I/O管理软件的抽象请求，进行与设备相关的具体设备操作，控制设备的打开，关闭，读，写等操作，控制数据在设备上的传输； 中断处理程序：当输入就绪、输出完成或设备出错时，设备控制器向CPU发中断信号，CPU进行相应中断处理,6.5 设备分配,由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法： 1)在进程间切换使用外设，如键盘和鼠标； 2)通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开，只由虚拟设备来使用设备。,6.5.1 设备分配时应考虑的问题,设备分配的综合原则是合理使用外设(公平和避免死锁)，提高设备使用率。 1.设备的固有属性 独享设备：打印机等。进程使用完自己释放，一般不能剥夺； 共享设备：磁盘、网卡等。多个进程并发使用，需合理调度； 虚拟设备：虚拟打印机等。可有多个进程使用，但FCFS。,2.设备分配算法 静态分配：在进程创建时分配，在进程退出时释放； 不会出现死锁； 设备利用率不高； 动态分配：在进程执行过程中根据需要分配，使用结束后释放，算法与进程调度类似，有FCFS 和基于优先级； 需要考虑死锁问题 有利于提高设备利用率,3.设备分配中的安全性（避免死锁） 安全分配方式 进程发出I/O请求后阻塞，完成后唤醒，即进程在I/O时不能在申请其他设备资源，摈弃了“请求保持”条件。优点：不会出现死锁；缺点：进程进展慢。 不安全分配方式 进程发出I/O请求后仍继续运行，又可发出I/O请求，仅当进程所请求的设备已被另一进程占用时，进程才进入阻塞状态。优点：多个设备并行操作；缺点：可能造成死锁。,设备独立性是指用户程序独立于具体使用的物理设备，可以提高操作系统的可适应性和可扩展性。 用户程序使用逻辑设备名请求使用某类设备。 操作系统在分配设备时使用的是物理设备名。 操作系统可以将逻辑设备名转换成物理设备名。 设备独立性增强了设备分配的灵活性，易于实现I/O重定向。,6.5.2 设备独立性(设备无关性),设备独立性的实现 逻辑设备表（Logical Unit Table，LUT）,当进程使用逻辑设备名请求I/O设备时，系统为他分配相应的物理设备，并在LUT中建立对相应表项，以便以后使用。LUT的设置： 整个系统一张（单用户系统） 一个用户一张（多用户系统）,6.5.3 设备分配中的数据结构,1.系统设备表(SDT, System Device Table) 整个系统内只有一张，反映系统中设备资源的状态，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。SDT表项的主要组成： DCT指针：指向相应设备的DCT； 设备标识； 设备类型：块设备，字符设备或终端设备； 正在使用该设备的进程号。,2.设备控制表(DCT, Device Control Table) 每个设备一张，描述设备特性和状态。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。DCT的内容主要包括： 设备标识：用来区别不同的设备； 设备类型 COCT指针：指向与该设备相连的控制器控制表； 设备状态：工作或空闲状态； 设备等待队列首指针和尾指针；,3.控制器控制表(COCT, COntroller Control Table) 每个设备控制器一张，描述I/O控制器的配置和状态。表项组成： 控制器标识符 控制器忙/闲状态 与控制器连接的通道表指针(CHCT指针) 控制器队列的队首指针 控制器队列的队尾指针,4.通道控制表(CHCT, CHannel Control Table) 每个通道一张，描述通道工作状态。 通道标识符 通道忙/闲状态 通道队列的队首指针 通道队列的队尾指针,6.5.4 设备分配步骤,在进程有I/O请求时，系统根据具体的设备分配算法，按以下步骤分配设备： 1）分配设备 逻辑设备名查找LUT,确定物理设备名查找SDT，找到该设备的设备控制表（DCT）根据DCT中的忙/闲标志位判断设备是否忙忙，则进入阻塞队列；否则，计算分配安全性，安全则分配。 2）分配控制器 根据DCT中的控制器控制表（COCT）指针找到与该设备相连的COCT，并判断其忙闲状态，忙则进入阻塞队列，否则分配控制器。,3）分配通道 根据COCT中的CHCT（通道控制表）指针找到CHCT，并判断其忙闲状态，忙则进入阻塞队列，否则分配通道。 设备分配中应注意的问题： 1）逻辑设备名可能有多个物理设备名与之相对应，在分配设备时需要扫描LUT和SDT，直到遇到第一个空闲的可分配设备为止；只有当所有设备都忙时才阻塞进程； 2）对于通道、控制器和设备的多通路连接情况，再分配控制器和通道时也需要多次检测COCT和CHCT,6.5.5 SPOOLing技术,SPOOLing(Simultaneous Peripheral Operation On Line）技术,又称为假脱机技术或虚拟设备技术，它可以把独享设备转变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。 SPOOLing技术的引入 为缓解CPU和I/O设备速度不匹配问题，用专门的应用程序模仿外围计算机在设备和磁盘间或CPU与磁盘间进行输入和输出操作，从而使得I/O设备可以和CPU并行运行，提高部件的利用率。,1.SPOOLing的系统组成： 输入井和输出井 输入缓冲区和输出缓冲区 输入进程SPi和输出进程SPo,2.SPOOLing系统的特点 优点： 提高了I/O速度：将原先对低速I/O设备的直接操作转换成对高速磁盘的I/O操作，使得程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来，从而缓解了CPU和I/O设备的速度不匹配问题。 实现对独享设备的共享：由SPOOLing程序提供虚拟设备，可以对独享设备依次共享使用。,3.共享打印机 打印机是一个独享设备，但它可以通过SPOOLing技术虚拟成共享设备。 当用户提出打印请求时，SPOOLing系统为之做两件事： 1）在输出井中申请一空闲盘快区，并将要打印的数据输入其中； 2）申请一张空白的用户请求打印表，将打印内容输入其中，再将该表投入请求打印队列，排队等待打印机； SPOOLing系统可以让多个用户同时感觉打印机在为他服务，从而将一个物理设备虚拟成多个逻辑设备，实现设备的共享,6.6 设备处理,设备处理程序又称为设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序。 主要功能 接受来自上层软件的抽象I/O请求，并检查请求的合法性； 向有关I/O设备发出控制命令，并启动运行 对等待I/O的进程进行排队； 及时响应中断请求,6.6.1 设备驱动程序,设备驱动程序的设置方式 为每类设备设置一个进程，专门用于执行该类设备的I/O操作。 为整个系统设置一个I/O进程，负责执行系统中各类设备的I/O操作；也可设置一个输入进程和一个输出进程； 不设处理进程，为各类设备设置相应的设备处理程序，供用户或系统进程调用。,设备驱动程序的特点 对I/O管理软件屏蔽I/O设备细节，实现I/O管理软件的设备无关性； 设备驱动程序与硬件紧密相关，是OS底层中和I/O设备相关的一部分； 驱动程序的大部分一般用汇编语言书写； 设备驱动程序与I/O控制方式相关； 设备驱动程序可以动态加载。,设备驱动程序的处理过程 设备处理程序的主要任务是启动指定设备，其处理过程如下： 将抽象要求转化为具体要求。 检查I/O请求的合法性 读出和检查设备的状态 传送参数 设置工作方式 启动I/O设备,6.6.2 中断处理程序,1.中断概念 中断是指在计算机运行期间，CPU暂停当前进程而转去处理其他应用程序的过程。 2.禁止中断 当CPU中PSW的中断允许位被清除时，CPU不能响应中断请求，称为禁止中断或关中断。 3.中断屏蔽 在中断请求产生以后，系统用软件的方式有选择的封锁部分中断，称为中断屏蔽。有些最高优先级中断不能屏蔽，如掉电中断。,4.中断分类 1）硬中断：通过硬件产生中断请求 内中断 处理机和内存内部产生的中断。如；地址非法，除数为零，非法指令等。 外中断 来自处理机和内存外部的中断。如：I/O中断，外部信号中断（键盘输入Esc），各种定时器中断等。 2）软中断 通信进程之间用来模拟硬中断的一种信号通信方式。中断处理程序不一定立刻执行。,5.中断优先级,按中断源的轻重缓急赋予了不同的优先级。如winXP中的中断优先级分为32级 所有线程都运行在中断优先级0/1上 硬件中断的优先级软件中断 PSW中设定中断优先级，判断是否要响应中断。 所有中断源的优先级在设计系统的时候确定，运行中不改变。,Windows的中断优先级,6.中断处理过程,内中断 检查CPU响应中断的条件是否满足（优先级，中断允许位）。 如果CPU响应中断，则必须关中断，使CPU进入不可再次响应中断的状态。 保存被中断进程的现场（PSW,PC,寄存器内容）。 分析中断原因，调用中断处理子程序。 执行中断处理子程序。 退出中断，恢复被中断进程的现场 开中断。,中断现场保护示意图,6.7 磁盘管理,磁盘I/O速度是影响文件系统性能的主要因素，因此，提高磁盘的I/O速度是磁盘管理的主要功能。 影响磁盘性能的因素：数据的结构、磁盘的类型、磁盘访问时间。 提高磁盘I/O速度的主要途径有： 1）选择介质好的磁盘 2）采用好的磁盘调度算法 3）设置磁盘高速缓冲区,1.磁盘结构,一个磁盘含多个盘片。 每个盘片含两面，每面上都有一个读写磁头。 每面含若干个磁道。 每条磁道上存储相同数目的二进制位。 每条磁道又分成若干个扇区，一个扇区相当于一个盘块。 每个盘面同一位置的磁道形成一个柱面。 通过柱面号、磁头号和扇区号可以定位数据。 磁头不动，盘面旋转。,2.磁盘的格式化（低级格式化）,低格是指厂商在出厂之前对磁盘进行扇区划分，为每个扇区写入格式控制信息。 高级格式化是指在磁盘上建立文件系统，由操作系统提供的工具实现。,3.磁盘的类型,从不同的角度分类，磁盘可分为：硬盘和软盘，单片盘和多片盘、固定头磁盘和移动头磁盘。 固定头磁盘 每条磁道上都有一个读/写磁头，适用于大容量磁盘。 移动头磁盘 每个盘面仅配一个读/写磁头，磁头在各磁道间移动寻道。任何时刻所有磁头位于离中心距离相同的磁道上形成柱面。例如微机上用的硬盘（也叫温切斯特硬盘）、软盘。,磁盘的I/O访问通常要经历：等待设备、等到通道、寻道、旋转延迟和数据传送5个阶段。 一般磁盘访问时间分为三部分： 寻道时间Ts：磁头从当前位置移动到指定磁道上所经历的时间。 s:启动磁盘时间（磁盘驱动器启动），m:常数=0.3， n:磁道数， Ts：随寻道距离的增大而增大，约5-10ms 旋转延迟时间Tr：磁头找到指定的扇区所经历的时间。 硬盘平均旋转时间一般为3ms，软盘一般为100-200ms,4.磁盘的访问,传输时间Tt：数据从磁盘读出，或向磁盘写入数据所经历的时间。 r:磁盘旋转速度 N:一条磁道上的字节数 b:每次读写的字节数 磁盘访问时间： 磁盘访问时间和每次读取数据的多少有关系，当存取数据相同时，访问时间和数据的组织有一定关系,5.磁盘调度算法,磁盘访问主要的性能差异在于寻道时间，对于多个要求访问磁盘的I/O请求，应有适当的调度算法，使得各进程对磁盘的平均访问时间最小。 1）先来先服务（FCFS） 优点：公平、简单。 缺点：未对寻道时间进行优化，平均寻道时间较长。,2）最短寻道时间优先（SSTF） 先满足寻道时间短的进程。 优点：对寻道时间优化 缺点：“饥饿”现象发生,SSTF调度算法,对SSTF算法进行改造，不仅考虑要访问的磁道与当前磁盘的距离，更优先考虑磁头的当前移动方向，避免了“饥饿”现象，因该算法中磁头的移动规律颇似电梯的运行，故又称“电梯调度算法”。 4）循环扫描（CSCAN） 对SCAN进行改造，固定磁头只能单向移动，解决进程严重延迟现象。,3）扫描算法（SCAN）,SCAN和CSCAN,对于SSTF、SCAN、CSCAN均有可能出现磁头在某处停留不动的情况（如进程对某道的访问频率高）称为“磁臂粘着”现象。 N-step-SCAN算法将磁盘请求队列分成若干个长度为N的子队列，用FCFS依此处理这些子队列。在每个队列中用SCAN。 N越大（一个进程一队）SCAN N越小（N=1）FCFS,5）N-step-SCAN扫描算法,将 N-step-SCAN算法简单化为二个队列： 一个队列为：当前已存在的请求磁盘I/O的进程形成的队列。按SCAN算法处理。 另一个队列为：在磁盘扫描期间，新出现的请求磁盘I/O的进程形成的队列，新的请求下次扫描时再处理。,6）FSCAN扫描算法,6.8 缓冲管理,1.缓冲的引入 缓解CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率 提高CPU和I/O设备之间的并行性 协调传输数据大小不一致的设备,2.缓冲的设置 缓冲是在通信过程中，为了缓解通信双方的速度匹配而引入的一个中间层次，其速度与较快的一方接近。按其设置可以分为以下几种： Cache：一种加速内存或磁盘存取的装置，可将慢速磁盘上的数据拷贝至快速的内存进行读写动作， 以提升系统响应的速度。（硬件缓冲） I/O设备或控制器内部的纯硬件缓冲区 内存开辟的缓冲区：I/O设备缓冲区，文件缓冲区 脱机I/O技术和SPOOLing技术,1）单缓冲：内存中的一块区域,设： T：一块数据从磁盘到内存缓冲区所需的时间； M：操作系统将缓冲区数据送入用户区所需时间； C：CPU对数据处理所需时间； 则，系统对整个数据的处理时间为： max(C,T)+M(T+C) （CPU和I/O设备并行工作，通常M远小于T或C）,2)双缓冲,块设备使用双缓冲区时，先将数据输入到第一个缓冲区，装满后再输入到第二个缓冲区，可进一步提高I/O设备和CPU的并行工作效率。,3）循环缓冲,当输入、输出的速度基本相匹配时，可使用双缓冲，但若两者的速度相差甚远时可用多缓冲。典型的即生产者和消费者问题。,三种状态的缓冲区： 空闲缓冲区：NextI指向下一个空缓冲区； 已装满数据的缓冲区： NextG指向下一