设备与I_O管理教学PPT设备管理(新).ppt

第八章设备与i o管理 设备及其分类设备的物理特性io传输方式 查询 中断 通道 dma 设备分配与去配设备驱动设备调度缓冲技术虚拟设备 第八章设备与i o管理 1 i o性能经常成为系统性能的瓶颈 1 cpu性能不等于系统性能 响应时间也是一个重要因素 2 cpu性能越高 与i o差距越大弥补 更多的进程 3 进程切换多 系统开销大2 操作系统庞大复杂的原因之一是 资源多 杂 并发 i o外设种类繁多 结构各异输入输出数据信号类型不同 速度差异很大3 理解i o的工作过程与结构是理解操作系统的工作过程与结构的关键4 与其他功能联系密切 特别是文件系统 8 1设备及其分类 用途存储型设备磁盘 磁带 光盘io型设备扫描仪 打印机 mouse keyboard monitor 网卡 etc 管理共享型设备 块型 多个进程的io操作以块为单位可以交叉独占型设备 块型 多个进程的io操作以块为单位不宜交叉独占型设备 字符型 多个进程的io操作以字符为单位不能交叉 io设备的物理特性传输一字节发生一次中断存储设备的物理特性磁带的物理特性 8 2设备的物理特性 磁盘组的物理特性 盘面0 盘面1 盘面2 盘面m 1 扇区n 1 扇区0 扇区1 柱面0 柱面l 1 引臂 柱面号i盘面号j扇区号k 块号b 一维地址 三维地址 编址方法 使相邻块物理上最近例子 l 2 m 3 n 3柱面号 000000000111111111盘面号 000111222000111222扇区号 012012012012012012块号 01234567891011121314151617 三维地址 一维地址 b i m n j n k一维地址 三维地址 i b m n j bmod m n nk bmod m n modn 未考虑读写延迟的扇区编号 考虑读写延迟的扇区编号 单交错 考虑读写延迟的扇区编号 双交错 8 3i o传输方式 程序查询方式 programmedio cpuanddevicecannotworkinparallel中断方式 interrupt cpuanddevicecanworkinparallel toomanyinterruptsforcpu通道方式 channel specialprocessorfordealingwithiooperations直接内存方式 dma dmacontrollerinchargeofblockio 8 3 1程序控制查询方式 cpu启动设备 完成 f t 缺点 处理机与设备串行工作 消耗大量处理机时间 8 3 2中断驱动方式 cpu计算启动设备计算 计算中断处理计算 设备 工作 特点 cpu与设备并行工作设备多时对cpu打扰多 8 3 3dma方式 directmemoryaccess作用 在没有cpu的作用下 实现设备和内存之间成批进行数据交换 8 3 4通道方式 通道负责io操作的处理机指令系统基本操作 读 写 控制 转移 结束指令格式 操作码 传输量 特征位 地址 运控部件caw ccw csw cdw存储区域 与cpu共用内存 通道内有缓冲区 通道程序 io数据 channeldoeshaveitsbuffers 通道程序执行过程 按caw取通道命令 ccw caw 1 caw 是通道结束命令 执行此命令 f 向cpu发中断 一条通道指令可以传送一组数据 一个通道程序可以传送多组数据 可以控制若干设备进行多次io传输 多组数据全部传输完毕后响处理器发送一次中断 t 通道类型 1 字节多路通道 bytemultiplexerchannel 多个非分配型子通道 连接低速外围设备2 数组选择通道 blockselectorchannel 一个分配型子通道 连接多台高速设备3 数组多路通道 blockmultiplexerchannel 多个非分配型子通道 连接多台高速设备 设备 通道 内存连接 选择通道 磁盘 字节多路通道 打印机 输入机 内存储器 处理机 磁带 数组多路通道 8 4设备的分配与去配 独占型设备的分配与去配块型独占字符型独占共享型设备的分配与去配块型共享 数据结构设备控制块 ucb 通道控制块 ccb 设备标识设备状态占有设备进程 通道标识通道状态通道类型占有通道进程 系统设备表 sdt 设备类总数设备等待队列ucb表指针 lpmsm ucbucb ucb 独占型设备的分配与去配用户使用独占型设备活动 申请 使用 使用 使用 释放申请 1 根据设备类查sdt表 2 p sm 3 查ucb表找一空闲设备并分配使用 1 io传输释放 1 找sdt表对应入口 2 查ucb表 去配 3 v sm 8 4设备的分配与去配 共享型设备的分配与去配用户使用共享型设备活动使用 使用 使用特征来自文件系统 每次读 写 一块 通常经过缓冲 排队优化 8 5设备驱动 通道程序ccw指令序列静态编制或动态生成设备启动通道启动中断处理通道向cpu发中断 8 5设备驱动 设备 cawccwcdwcsw 形成通道程序 地址 caw 启动通道 中断处理 启动 中断 内存 cpu 通道 8 6设备调度 优化服务顺序考虑因素公平性防止饿死高效性减少磁盘引臂移动量 磁盘输入输出参数 寻道时间 将磁盘引臂移动到指定柱面的时间 ts m n s m跨越磁道数 n跨越一个磁道需要的时间 s启动时间 旋转延迟 指定扇区旋转到磁头下的时间 tr 1 2r r磁盘转速 平均旋转延迟公式 传输时间 读写时间 tt b rn b读写字节数 n一条磁道上的字节数 读写一个扇区的时间 tt 1 rm m一条磁道上的扇区数 某软盘有40个磁道 磁头从一个磁道移到另一个磁道需要6ms 文件在磁盘上非连续存放 逻辑上相邻的数据块的平均距离为13个磁道 每块的旋转延时及传输时间分别为100ms和25ms 请问 1 读取一个100块的文件需要多少时间 2 如果对磁盘进行整理使同一文件的磁盘块尽量靠拢 以使逻辑相邻的数据块的平均距离为2个磁道 读取100块的文件需要多少时间 8分 每次读取1块的时间 寻道时间 旋转延迟 传输时间t 13 6 100 25 100t 2 6 100 25 100 磁盘引臂调度 diskheadscheduling 先到先服务 fcfs 请求序列 130 42 180 15 108 68 97 移动量 130 53 130 42 180 42 180 15 108 15 108 68 97 68 630 磁盘引臂调度 diskheadscheduling 最短寻找时间优先 sstf 请求序列 130 42 180 15 108 68 97 移动量 53 42 180 42 180 15 314 磁盘引臂调度 diskheadscheduling scan look 请求序列 130 42 180 15 108 68 97 scan移动量 53 0 180 0 233look移动量 53 15 180 15 203 01542536897108130180199 lookscan 磁盘引臂调度 diskheadscheduling c scan c look 请求序列 130 42 180 15 108 68 97 特点 所有磁道的最长等待时间相同 磁盘引臂调度 diskheadscheduling nstep scan将磁盘请求队列分成若干长度为n的子队列 按顺序处理子队列 子队列中的请求按照扫描策略提供服务 fcscan按照扫描策略为在一次特定扫描开始时已经到达的请求提供服务 在扫描期间新到达的请求被组合在一起在回程扫描时按扫描算法处理 特点 所有磁道的最长等待时间相同 8 7缓冲技术 处理数据到达与离开速度不一致所采用的技术 硬缓冲与软缓冲硬缓冲区通常设在设备中软缓冲区通常设在内存系统空间中私用缓冲与公共缓冲一个缓冲区与一个固定设备相联系 不同设备使用不同的缓冲区利用率低缓冲区由系统统一管理 按需要动态与分派给正在进行i o传输的设备 varbuf num semaphore initn mutex semaphore init1 1 申请2 释放 1 p buf num p mutex 2 p mutex 空缓冲入链头 3 取链头空缓冲v mutex 4 v mutex v buf num 缓冲池管理 8 7 5缓冲技术实现 输入设备 io链 os 通道程序 进程方面 中断方面 io链空 设备忙 申请空缓冲 启动设备 等待 由io链取一缓冲 信息 进程空间 释放空缓冲 缓冲入io链 有等待进程 唤醒 传输完毕 申请空缓冲 启动设备 f t f t f t t f 8 7 5缓冲技术实现 输出设备 os 通道程序 进程方面 中断方面 申请一空缓冲 信息 缓冲 设备忙 启动设备 缓冲入io链 传输完 t f f t 释放空缓冲 io链空 取一缓冲 启动设备 t f 8 7 5输入输出设备 磁带 磁盘 块型缓冲区 进程空间 缓冲 io设备 缓冲 缓冲 io链 进程方面 输入 进程方面 输出 中断方面 申请空缓冲 填写头部 设备工作 入io链尾 启动设备 信息 进程 释放缓冲 申请空缓冲 填写头部 信息 缓冲 设备工作 启动设备 入io链 输入 唤醒等待者 释放空缓冲 io链空 取一缓冲 启动设备 f t f t t f f t 等待 8 10虚拟设备 概念利用共享型设备实现的数量较多 速度较快的独占型设备引入用户直接使用独占型设备效率低实现输入型虚拟设备输出型虚拟设备虚拟设备的例子spooling输入spooling输出 8 10 1虚拟设备引入 用户使用独占型设备活动 申请 使用 使用 使用 释放缺点 速度 cpu与设备速度不匹配设备利用率 占有期间不一定一直使用 进程独占此设备 方法 在进程与独占型设备之间增加共享设备缓冲 虚拟设备 虚拟设备 虚拟设备 虚拟设备 进程 独占设备 共享设备 如磁盘 间断传输 连续传输 8 10 2虚拟设备的实现 输入型虚拟设备的实现申请 分配一虚设备分配一实设备信息由实设备 虚设备去配该实设备使用 信息由虚设备 进程空间释放 去配虚设备 输出型虚拟设备的实现申请 分配一虚设备使用 信息由进程空间 虚设备释放 分配一实设备信息由虚设备 实设备去配实设备去配虚设备 8 10 2虚拟设备的实现 8 10 3虚拟设备的例子 spooling输入作业预输入 输入机 输入井 spooling输出作业缓输出 输出井 输出机 spoolingsimultaneousperipheraloperationon line由spooling程序控制通道完成 job11 job1m 输入井 预输入进程 预输入进程 内存 spooling输入程序 1 vs spooling输入进程 n 有待输入作业 有空闲作业表 等待 等待 取一 空闲 作业表为jcb 作业状态改为 提交 申请