OperatingSystem设备管理.ppt

第八章外部设备管理,8.1引言8.2缓冲技术8.3设备分配8.4设备控制8.5磁盘设备管理,外设的特点：种类多差异大(控制和速度)外设管理目的包括：外设资源的控制外设资源的共享提高外设资源的利用率。,8.1引言,8.1.1外部设备类型和特征8.1.2设备的I/O控制技术8.1.3外设管理的目的和功能8.1.4外设管理结构,返回,8.1.1外部设备类型和特征,人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器计算机间的通信设备：网卡、调制解调器,返回,1.按交互对象分类,输入（可读）：键盘、扫描仪输出（可写）：显示设备、打印机输入/输出（可读写）：磁盘、网卡,2.按交互方向分类,3.按外设特性分类,使用特征：存储、输入/输出、终端数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘)信息组织特征：单个字符或数据块字符设备(如打印机)块设备(如磁盘),4.按外设分配方式分类,独占设备：任何时刻只能被一个用户使用，如终端、绘图仪、打印机等。共享设备：可以同时（或宏观同时）被多个用户使用。一般容量大、数度快，如硬盘。,8.1.2设备的I/O控制技术,返回,1.程序控制I/O(programmedI/O),也称循环测试方式。I/O操作由程序发起，并等待操作完成，其中程序直接从设备控制器中的数据缓冲寄存器中存取数据。数据的每次读写通过CPU。缺点：在外设进行数据处理时，CPU只能等待。,2.中断驱动方式(interrupt-drivenI/O),I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入，在此之前，该程序可进入等待状态或继续执行）由外设向CPU发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过CPU。优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。缺点：CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字节：从设备控制器中的数据缓冲寄存器中存取数据），只适于数据传输率较低的设备。另外，I/O操作频繁，有可能丢失中断信号。,3.直接存储访问方式(DMA,DirectMemoryAccess),由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起I/O操作，而由后者完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的数据读写无需CPU控制，CPU与DMA控制器并行工作。适于高速设备。缺点：功能比较简单，不能完成较复杂的要求。,DMA方式下的I/O控制器结构,中断方式和DMA方式的区别,中断方式在数据缓冲寄存器满时发中断请求，而DMA方式在数据全部传送完时发中断请求。中断方式中，数据从数据缓冲寄存器到内存是CPU在进行中断处理时完成的。而DMA方式数据是直接在DMA控制下完成的。,4.通道控制方式(channelcontrol),选择通道(selectorchannel)：可以连接多个外设，而一次只能访问其中一个外设。多路通道(multiplexerchannel)：可以并发访问多个外设。分为字节多路(byte)和数组多路(block)通道。,通道控制器(ChannelProcessor)有自己的专用存储器，可以执行由通道指令组成的通道程序，因此可以进行较为复杂的I/O控制，如网卡上信道访问控制。通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里。优点：执行一个通道程序可以完成几批I/O操作。,8.1.3外设管理的目的和功能,提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型,返回,1.外设管理目的,2.外设管理功能,提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率,8.1.4外设管理结构,返回,逻辑I/O：逻辑设备(也称为虚拟设备)实体，不涉及实际的设备控制；针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open,Close,Read,Write。针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈；针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制；设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。用户命令到设备操作序列的转换I/O缓冲：提高I/O效率。调度和控制：物理设备控制实体；直接面对硬件设备的控制细节。这部分通常体现为设备驱动程序。并发I/O访问调度设备控制和状态维护中断处理,8.2缓冲技术,返回,1.引入缓冲技术的目的,缓冲技术可提高外设利用率，尽可能使外设处于忙状态；但有一个限制：进程的I/O请求不能超过外设的处理能力。,匹配CPU或用户应用进程与外设的不同处理速度减少对CPU的中断次数，提高CPU和I/O设备之间以及各个I/O设备之间的处理并行性。因此，缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设。这些在不同位置的缓冲区组合在一起，构成多级缓冲机制。,2.单方向缓冲,单缓冲(singlebuffer)：一个缓冲区，CPU和外设轮流使用，一方处理完之后接着等待对方处理。双缓冲(doublebuffer)：两个缓冲区，CPU和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求CPU和外设的速度相近。环形缓冲(circularbuffer)：多个缓冲区，CPU和外设的处理速度可以相差较大。,3.缓冲池(bufferpool),缓冲区队列：三种：空闲缓冲区，输入缓冲区，输出缓冲区操作：四种：设备输入，CPU读入，设备输出，CPU写出。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。,这是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。,8.3设备分配,8.3.1设备分配数据结构8.3.2设备分配原则8.3.3假脱机技术,返回,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，只通过虚拟设备来使用设备。,8.3.1设备分配数据结构,设备控制表(DCT,DeviceControlTable)：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：反映设备的特性；如：块设备或字符设备；设备配置：I/O地址等；设备状态：工作或空闲状态；等待队列：等待使用该设备的进程队列；,返回,系统设备表(SDT,SystemDeviceTable)：系统内一张，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；设备使用进程标识：正在使用该设备的进程标识；DCT信息：为引用方便而保存的DCT信息，如：设备标识、设备类型等；控制器控制表(COCT,COntrollerControlTable)：每个设备控制器一张，描述I/O控制器的配置和状态。如DMA控制器所占用的中断号、DMA数据通道的分配。通道控制表(CHCT,CHannelControlTable)：每个通道一张，描述通道工作状态。,返回,8.3.2设备分配原则,与设备分配有关的设备属性：独享设备：打印机等；共享设备：磁盘、网卡等；设备分配方式：各有优缺点静态分配：在进程分创建时分配，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；需要考虑死锁问题有利于提高设备利用率,返回,设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁)，提高设备利用率。,动态分配策略：针对特定的设备采用特定的分配策略。先来先服务(FCFS)：按I/O请求的先后顺序，排成I/O请求命令队列；按FCFS分配设备；基于优先级：依据进程的优先级，指定I/O请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备；,8.3.3假脱机技术,引入：在多道批处理系统中，专门利用一道程序（SPOOLing程序）来完成对设备的I/O操作。无需使用外围I/O处理机。,返回,利用假脱机技术(SPOOLing,SimultaneousPeripheralOperationOnLine,也称为虚拟设备技术)可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。,假脱机的原理：SPOOLing程序和外设进行数据交换，可以称为“实际I/O”。一方面，SPOOLing程序预先从外设输入数据并加以缓冲(放在输入井中)，在以后需要的时候输入到应用程序；另一方面，SPOOLing程序接受应用程序的输出数据并加以缓冲(放在输出井中)，在以后适当的时候输出到外设。应用程序进行I/O操作时，只是和SPOOLing程序交换数据，可以称为虚拟I/O。这时虚拟I/O实际上是从SPOOLing程序的缓冲池中读出数据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外设进行I/O操作。,优点：高速虚拟I/O操作：应用程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩短应用程序的执行时间。另一方面，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。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。举例：打印机设备和可由打印机管理器管理的打印作业队列。如：WindowsNT中，应用程序直接向针式打印机输出需要15分钟，而向打印作业队列输出只需要1分钟，此后用户可以关闭应用程序而转入其他工作，在以后适当的时候由打印机管理器完成15分钟的打印输出而无需用户干预。,8.4设备控制,8.4.1设备的控制过程8.4.2设备控制过程的实现方式8.4.3设备驱动程序,返回,8.4.1设备的控制过程,转换：将抽象的命令转换为具体的一定次序的指令合法性检查：检查I/O操作请求的合法性可用性检查：检查控制器和设备的状态，判断是否可用参数设置：设置控制器和设备的参数，包括构造必要的通道程序启动I/O：向控制器或设备发起I/O操作中断处理：提供必要的中断处理例程，以便I/O完成时调用,返回,依据用户的控制命令对外设进行控制，并返回结果。控制过程可分为以下6步：,8.4.2设备控制过程的实现方式,作为应用进程的一部分执行：与程序控制I/O方式相对应。作为系统进程执行：每类设备一个进程，或整个系统一个进程处理各类设备。不设进程，作为OS核心中的设备驱动程序，也是最常用的方式。其工作流程如下图所示：,返回,8.4.3设备驱动程序,中转数据和控制：不是数据和控制的源端和目的端（应用程序和设备）与硬件特性密切相关：通常由硬件厂商提供。向上屏蔽设备细节：不同类型设备通常其设备驱动程序接口不同，同类设备的接口相同。因此，同类设备的不同型号，只要更换设备驱动程序则可由OS使用。,返回,驱动程序是I/O处理功能的低级系统例程。它具有如下特征：,8.5磁盘设备管理,8.5.1磁盘I/O访问时间的组成8.5.2磁盘I/O调度策略,返回,CPU和内存的访问速度比磁盘要快若干个数量级，磁盘系统的性能对整个系统的性能有重要影响，磁盘设备管理的目标就是提高磁盘系统的性能。,8.5.1磁盘I/O访问时间的组成,盘块的地址：柱面号，磁头号，扇区号柱面定位时间：磁头移动到指定柱面的机械运动时间；机械运动，花费时间最多。旋转延迟时间：磁盘旋转到指定扇区的机械运动时间；它与磁盘转速相关，如：软盘转速可为600rpm(每分钟转速)，硬盘可为3600rpm。数据传送时间：从指定扇区读写数据的时间。,返回,由于柱面定位时间在访问时间中占主要部分，合理组成磁盘数据的存储位置可提高磁盘I/O性能。例子：读一个128KB大小的文件：(1)文件由8个连续磁道(每个磁道32个扇区)上的256个扇区构成：20ms+(8.3ms+16.7ms)*8=220ms;其中，柱面定位时间为20ms，旋转延迟时间为8.3ms，32扇区数据传送时间为16.7ms；(2)文件由256个随机分布的扇区构成：(20ms+8.3ms+0.5ms)*256=7373ms;其中，1扇区数据传送时间为0.5ms；随机分布时的访问时间为连续分布时的33.5倍。,8.5.2磁盘I/O调度策略,先进先出算法优先级算法短查找时间优先算法扫描(SCAN)算法,返回,来自不同进程的磁盘I/O请求构成一个随机分布的请求队列。磁盘I/O调度的主要目标就是减少请求队列对应的平均柱面定位时间。,先进先出(FIFO,FirstInFirstOut)算法：磁盘I/O执行顺序为磁盘I/O请求的先后顺序。该算法的特点是公平性；在磁盘I/O负载较轻且每次读写多个连续扇区时，性能较好。优先级算法：依据进程优先级来调整磁盘I/O请求的执行顺序。该算法反映进程在系统的优先级特征，目标是系统目标的实现，而不是改进磁盘I/O性能。,短查找时间优先(SSTF,ShortestServiceTimeFirst)算法：考虑磁盘I/O请求队列中各请求的磁头定位位置，选择从当前磁头位置出发，移动最少的磁盘I/O请求。该算法的目标是使每次磁头移动时间最少。它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，可能会有进程处于饥饿状态。扫描(SCAN)算法：根据当前磁头位置和移动方向，选择在磁头前进方向上从当前位置移动最少的磁盘I/