计算机设备管理培训讲义(PPT 46页).ppt

1 第6章设备管理 主要内容 I O硬件概念 设备控制器 I O控制方式 缓冲技术 设备的使用方法 I O层次结构 磁盘管理 重点 I O控制方式 缓冲区的种类 设备分配 难点 磁盘调度策略 2 6 1I O硬件概念 6 1 1常见I O设备的分类 人 机交互设备 字节设备 发送接收以字节方式 存储类型设备 块设备 读写以数据块方式 网络通信的设备 网络接口 调制解调器 I O设备的特点 数据传输速率不同 数据传输单位不同 控制的复杂性不同 设备的使用目的不同 3 6 1 2设备控制器 I O部件 I O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件 电子部件被称做I O部件或设备控制器 当控制多设备时 又叫总线控制器 通道控制器 操作系统一般只与控制器打交道 而非设备本身 早期CPU是直接控制外部设备的 在引入I O部件之后 才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来 4 PCI总线控制器 处理机 CPU 主存 显卡 SCSI控制器 外设控制器 控制器 控制器 连接CPU 主存 设备控制器和I O设备模型 磁带 磁盘 外设 SCSI总线 主板总线 设备控制器的功能 1 接收和识别来自CPU的各种命令 2 实现CPU与设备控制器 设备控制器与设备之间的数据交换 3 记录设备的状态供CPU查询 4 识别控制器的每个设备的地址 5 控制器的任务是在外部设备与CPU 内存 之间完成比特流 外部信号 和字节流 块 之间的转换 6 每个控制器都有一些用来与CPU通信的I O寄存器 操作系统通过向这些寄存器写命令字来执行I O功能 IBMPC的I O地址 内存 0 k n 控制器寄存器 7 6 1 3I O控制方式 1 程序直接控制方式 CPU直接控制I O操作的全过程 包括测试设备状态 发送读写命令 传输数据 处理机指令集应包括下述指令 控制类测试类读写类I O 示例 从外存读数据块到内存 见下一页 8 向I O部件发读命令 读I O部件状态寄存器 从I O部件读字数据 将该字写入内存 未OK OK 出错 OK 下一指令 未OK 检查状态 该块读完 9 2 中断控制方式 优点 CPU不必反复测试 节约了时间 缺点 仍然消耗大量的CPU时间 10 3 DMA方式 DMA方式的思想 DMA 直接内存存取 负责完成整个I O操作 无需再经CPU寄存器转发 并在全部传输结束后向CPU发中断信号 给DMA的命令中应包括 操作类别I O设备的地址读写数据在内存中的首地址字数 向DMA部件发读命令 读取DMA部件状态 中断 中断后续处理 注意 DMA的功能可以以独立的DMA部件在系统I O总线上完成 也可整合到I O部件中完成 缺点 DMA部件需与CPU竞争控制总线 11 CPU直接控制外部设备 引入I O部件 CPU直接控制I O部件 引入中断驱动方式 引入DMA I O通道或I O处理机 输入 输出控制方式的发展过程 12 6 2设备输入 输出子系统 6 2 1设备的使用方法一 设备相关系统调用1 申请设备 有参数说明要申请的设备名称 操作系统处理该系统调用时 会按照设备特性 独占还是分时共享 及设备的占用情况来分配设备 返回申请是否成功标志 2 将数据写入设备 3 从设备读取数据 4 释放设备 这是申请设备的逆操作 说明 主要用于对人 机交互类慢速外设的使用 对于存储类外设 用户程序一般通过文件的访问 13 在UNIX中 可以用如下的系统调用将数据直接写入软盘中 fd open dev fd0 O RDRW 申请软盘 dev fd0代表软盘 lseek fd 1024 0 将软盘当前I O位置定位到1024字节位置 Write fd buffer 36 将用户缓冲区buffer中的36个字节写入软盘1024 1059字节 close fd 释放软盘 14 二 独占式使用设备如打印机 15 三 分时式共享使用设备独占式使用设备时 设备利用率很低 分时式共享 以一次I O为单位分时使用设备 不同进程的I O操作请求以排队方式分时地占用设备进行I O 注 针对一个逻辑上完整的数据的I O操作 如 终端设备 磁盘设备 16 请求 请求 设备 图6 6排队使用设备 17 产生的条件 I O中断 通道 磁盘 SPOOLing 并发的外部设备联机操作 的基本思想 用磁盘设备作为主机的直接输入 输出设备 即主机从磁盘选取作业并运行 结果也存在磁盘中 相应的通道则负责磁盘与慢速外设的传输 利用通道和中断机制 作业的输入 输出与作业在处理机上的运行可很好地并行起来 四 以SPOOLing方式使用外设 18 通道 主机 通道 通道 卡片机 打印机 SPOOLing系统图示 磁盘 19 例如 所有输出数据已经写到文件当中 并排到打印输出队列 打印进程申请占用打印机后 成批读出文件中数据 并送打印机打印出去 20 6 2 2I O层次结构 通常 操作系统将设备管理系统划分并组织成三个层次 用户层I O 设备无关的I O 设备驱动及中断处理 21 用户进程 用户层I O 设备无关的I O 设备驱动及中断处理 硬件 设备管理子系统 逻辑结构图 22 一 用户层I O 与设备的控制细节无关 将所有的设备看做逻辑资源 为用户进程提供各类I O函数 用户以设备标识符和一些简单的函数来使用设备 如打开 关闭 读 写等 如C库中的函数fopen fread fwrite fclose 等 23 二 设备无关的I O 基本功能 执行适用于所有设备的公共I O功能 并向其上层提供统一的系统调用接口 任务包括 1 设备名及与设备驱动程序的映射 在UNIX中 如 dev tty00惟一地确定了一个i node数据结构 其中包含了主设备号 通过主设备号可以找到相应的设备驱动程序 2 设备保护 许可权限保护 3 缓冲I O 块设备 字符设备 4 错误报告 报告驱动程序产生的错误信息 5 分配及释放独占型设备 申请 关闭 24 三 设备驱动与中断处理 1 设备驱动程序包括了所有与设备相关的代码 其功能是从与设备无关的软件中接收I O的请求 排入请求队列或执行之 执行时 将请求转化为更具体的形式 2 中断处理当进程进行I O操作时 将其阻塞至I O操作结束并发生中断 中断发生时 由中断处理程序启动请求排队的下一请求并解除等I O进程的阻塞状态 使其能够继续执行 25 6 2 3设备驱动程序 一 设备驱动程序接口函数驱动程序初始化函数 做一些针对驱动程序本身的初始化工作 如向操作系统登记该驱动程序的接口函数 该初始化函数在系统启动时或驱动程序安装入内核时执行 驱动程序卸载函数 在支持驱动程序可动态加载卸载的系统中才需要 申请设备函数 申请一个驱动程序所管理的设备 按照设备特性进行独占式占用或者分时共享式占用 释放设备函数I O操作函数 实现对设备的I O 对独占型设备 包含了启动I O的指令 分时共享型设备 将I O请求形成一个请求包 将其排到设备请求队列 中断处理函数 在设备I O完成时向CPU发中断 然后被调用 该函数对I O完成做善后处理 26 二 设备管理有关的数据结构描述设备 控制器等部件的表格 系统中常常为每一个部件 每一台设备分别设置一张表格 常称为设备表或部件控制块 这类表格具体描述设备的类型 标识符 进行状态 以及当前使用者的进程标识符等 建立同类资源的队列 通常在设备表的基础上通过指针将相同物理属性的设备连成队列 称设备队列 面向进程I O请求的动态数据结构 每当进程发出块I O请求时 系统建立一张表格 称I O请求包 将此次I O请求的参数填入表中 同时也将该I O有关的系统缓冲区地址等信息填入表中 I O请求包随着I O的完成而被删除 建立I O队列 如请求包队列 27 设备管理有关数据结构关系 28 引入原因 1 可以改善进程运行速度与I O传输速度之间的速差矛盾 2 减少中断CPU的次数 3 提高CPU和I O设备之间的并行性 6 2 4缓冲技术 29 块设备字符设备 一次一行方式 打印机 显示器一次一字节方式 传感器 控制杆 30 31 缓冲区结合预先读和延迟写技术对具有重复性及阵发性I O进程 提高I O速度很有帮助 32 6 3存储设备6 3 1常见存储外设 磁盘数据组织一个磁盘由多个盘面组成 盘面有同心圆磁道组成 磁道有扇区组成 扇区为基本传输单位 物理特性单磁头 多磁头 33 多磁头活动头盘示意图 34 光学存储设备CD ROM CD R CD RW 35 6 3 2磁盘调度 磁盘地址 台号 柱面号 盘面号 扇区号 读写一次磁盘信息所需的时间可分解为 寻找时间 寻道时间 延迟时间 传输时间 为提高磁盘传输效率 软件应着重考虑减少寻找时间和延迟时间 36 一 减少寻找时间 寻道时间 的方法 减少寻找时间是提高磁盘传输效率的关键 因为 寻找时间 在几十毫秒时间量级 操作系统磁盘驱动程序可以通过对磁盘的访问请求顺序合理调度多道进程 达到减少磁盘平均服务时间的目的 37 磁盘调度策略 1 先来先服务FCFS FirstComeFirstServer 这是最简单的磁盘调度策略 它根据进程请求访问磁盘的时间顺序进行调度 2 最短寻道时间优先SSFT ShortestSeekTimeFirst 它是根据磁头当前的位置 选择请求队列中距离磁头最短的请求响应 3 SCAN 也称电梯策略 要求磁头臂仅仅沿一个方向移动 并在途中满足所有未完成的请求 直到它到达这个方向的最后一个磁道 或这个方向没有别的请求为止 Look算法 然后倒转服务方向 同样按顺序完成的有请求 4 C SCAN 是循环扫描法 当到达最后一个磁道时 磁头臂返回到磁头的另一端 并再次开始扫描 无需到达端点 称C Look算法 38 其他调度策略 为避免磁头臂的粘性 磁盘请求队列被分成段 一次只有一个段被完全处理 1 N Step SCAN 它是把磁盘请求分成长度为N的子队列 每次用SCAN处理一个子队列 当N比较大时性能与SCAN相近 当N 1时退化为FCFS 2 FSCAN 使用两个子队列 当扫描开始时 所有请求都在一个队列中 而另一个队列为空 在扫描过程中 所有新到的请求都被放入另一个队列 因此 对新请求的服务延迟到处理完所有老请求以后 39 假设磁盘有200个磁道 磁盘请求队列中是一些随机请求 被请求的磁道按接收顺序分别为 55 58 39 18 90 160 150 38 184 当前磁头在100磁道处FCFS策略磁头臂的移动轨迹如下 18 38 39 55 58 90 150 160 184 100 40 假设磁盘有200个磁道 磁盘请求队列中是一些随机请求 被请求的磁道按接收顺序分别为 55 58 39 18 90 160 150 38 184 当前磁头在100磁道处SSTF策略磁头臂的移动轨迹如下 18 38 39 55 58 90 150 160 184 100 41 假设磁盘有200个磁道 磁盘请求队列中是一些随机请求 被请求的磁道按接收顺序分别为 55 58 39 18 90 160 150 38 184 当前磁头在100磁道处SCAN策略磁头臂的移动轨迹如下 18 38 39 55 58 90 150 160 184 100 200 42 假设磁盘有200个磁道 磁盘请求队列中是一些随机请求 被请求的磁道按接收顺序分别为 5