20-5-设备管理概述

2024年4月1日1操作系统深圳大学计算机与软件学院白鉴聪2024年3月30日1操作系统深圳大学2024年4月1日2第五章设备管理5.1I/O系统

5.2I/O控制方式

5.3缓冲管理

5.4I/O软件

5.5设备分配

5.6磁盘存储器管理2024年3月30日2第五章设备管理5.1I/O2024年4月1日35.1I/O系统设备管理对象：I/O设备必要性：设备种类繁多、物理特性多样、控制复杂、与主机速度不匹配基本任务：完成I/O请求，提高I/O速率，提高I/O设备利用率主要功能：缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备、实现设备独立性2024年3月30日35.1I/O系统设备管理对象：I/O2024年4月1日45.1I/O系统I/O设备种类按传输速率分类低速设备，速率1KB/s以下，典型设备有键盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备中速设备，速率1KB—100KB/s，典型设备有行式打印机、激光打印机高速设备，速率100KB/s以上，甚至几十兆字节，典型设备有磁带机、磁盘机、光盘机等2024年3月30日45.1I/O系统I/O设备种类2024年4月1日55.1I/O系统按信息交换单位分类块设备，BlockDevice，用于存储信息，以数据块为单位，属于有结构设备。典型设备是磁盘特征是传输速率较高，通常每秒钟为几兆位另一特征是可寻址，即对它可随机地读/写任一块磁盘设备的I/O常采用DMA方式。字符设备，CharacterDevice，用于数据的输入和输出单位是字符，故称为字符设备。无结构的数据I/O特征是传输速率低另一特征是不可寻址常采用中断驱动2024年3月30日55.1I/O系统按信息交换单位分类2024年4月1日65.1I/O系统按共享属性分类独占设备：一段时间内只允许一个用户使用共享设备：可同时允许多个用户使用，并发虚拟设备：采用软硬件技术将一台物理设备变为多个逻辑设备2024年3月30日65.1I/O系统按共享属性分类2024年4月1日75.1I/O系统设备与控制器之间的接口：通常，设备并不是直接与CPU进行通信，而是与设备控制器通信在I/O设备中应含有与设备控制器间的接口，在该接口中有三种类型的信号，各对应一条信号线。数据、状态、控制2024年3月30日75.1I/O系统设备与控制器之间的接2024年4月1日85.1I/O系统设备控制器一个计算机实体CPU与I/O设备的接口控制多个I/O设备实现I/O设备与主机的数据交换可编址设备，通过I/O地址识别不同的设备2024年3月30日85.1I/O系统设备控制器2024年4月1日95.1I/O系统设备控制器基本功能接收和识别命令数据交换标识和报告设备的状态地址识别数据缓冲差错控制设备控制器的组成（自学）2024年3月30日95.1I/O系统设备控制器基本功能2024年4月1日105.1I/O系统I/O通道是一种特殊的处理机具有执行I/O指令的能力通过执行通道(I/O)程序控制I/O操作指令类型单一，主要限于与I/O操作有关的指令没有自己的内存，通道程序放在主机内存中通道类型（自学）2024年3月30日105.1I/O系统I/O通道是一种特2024年4月1日115.1I/O系统通道瓶颈通道不足造成“瓶颈”现象单通路I/O系统

2024年3月30日115.1I/O系统通道瓶颈单通路I2024年4月1日125.1I/O系统多通路I/O系统一条通路包括：内存——通道——控制器——I/O设备2024年3月30日125.1I/O系统多通路I/O系统2024年4月1日135.1I/O系统总线系统现代总线设计：存储总线（北桥）+I/O总线（南桥）2024年3月30日135.1I/O系统总线系统2024年4月1日145.2I/O控制方式四种I/O方式程序I/O方式中断驱动I/O控制方式直接存储器访问DMAI/O控制方式I/O通道控制方式2024年3月30日145.2I/O控制方式四种I/O方式2024年4月1日155.2I/O控制方式四种I/O方式的目标：尽量释放CPU，减少CPU负担设备启动传输参数初始化传输过程的控制（地址变化，传输计数）传输结束2024年3月30日155.2I/O控制方式四种I/O方式2024年4月1日165.2I/O控制方式2024年3月30日165.2I/O控制方式2024年4月1日175.2I/O控制方式PI/O四个阶段都要CPU参与，每次传送一个数据中断在启动阶段释放了CPU，每次传送一个数据DMA在中断的基础上，在传输控制阶段释放CPU，参数初始化需要CPU，传送由DMA控制器完成，每次传送一个数据块通道完全释放CPU，CPU完成通道程序后，其他由通道完成，每次传送多个数据块。2024年3月30日175.2I/O控制方式PI/O四个阶2024年4月1日185.2I/O控制方式I/O通道控制方式以一组数据块的读/写作为控制和管理单位实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作CPU需向I/O通道发送指令，给出要执行的通道程序的首址和要访问的I/O设备通道执行通道程序，完成CPU指定的I/O任务操作PR计数内存地址WRITE0080813WRITE001401034WRITE01605830WRITE013002000WRITE002501850WRITE112507202024年3月30日185.2I/O控制方式I/O通道控制2024年4月1日195.3缓冲管理缓冲的引入缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制提高CPU和I/O设备之间的并行性2024年3月30日195.3缓冲管理缓冲的引入2024年4月1日205.3缓冲管理缓冲寄存器实现缓冲2024年3月30日205.3缓冲管理缓冲寄存器实现缓冲2024年4月1日215.3缓冲管理单缓冲(SingleBuffer)运行周期：Max(C,T)+M2024年3月30日215.3缓冲管理单缓冲(Single2024年4月1日225.3缓冲管理双缓冲(DoubleBuffer)运行周期：Max(C+M,T)C+M<T：主机速度快，主机等待，磁盘连续输入C+M>T：磁盘速度快，磁盘等待，主机连续运行2024年3月30日225.3缓冲管理双缓冲(Double2024年4月1日235.3缓冲管理循环缓冲三类缓冲区：空白R、装满G、执行C三个指针：指向三类缓冲区，Nexti,Nextg,current外部进程：计算进程、输入进程内部进程：对缓冲区进行操作读/写数据Getbuf修改状态Releasebuf进程同步控制：Nexti赶上NextgNextg赶上Nexti2024年3月30日235.3缓冲管理循环缓冲2024年4月1日245.3缓冲管理缓冲池(BufferPool)三种缓冲区：空闲、输入数据、输出数据三个队列：空缓冲队列、输入队列、输出队列两个进程：AddBuf和GetBuf四种工作方式：收容输入、提取输入、收容输出、提取输出2024年3月30日245.3缓冲管理缓冲池(Buffer2024年4月1日255.4I/O软件I/O软件总体目标确保I/O设备与CPU并发，提高资源利用率提供简单抽象、清晰、统一接口，统一标准，规范操作I/O软件的设计目标和原则与具体设备无关统一命名对错误的处理缓冲技术设备的分配和释放I/O控制方式2024年3月30日255.4I/O软件I/O软件总体目标2024年4月1日265.4I/O软件目前在I/O软件中已普遍采用了层次式结构通常把I/O软件组织成四个层次用户层软件设备独立性软件设备驱动程序中断处理程序其他部分（自学）2024年3月30日265.4I/O软件目前在I/O软件中2024年4月1日275.5设备分配基于数据结构的设备分配，四张表控制器表、通道表、系统设备表、设备控制表

COCT—CHCT—SDT—DCT2024年3月30日275.5设备分配基于数据结构的设备分2024年4月1日285.5设备分配基于数据结构的设备分配分配设备先查找SDT，从中找出DCT根据DCT读取设备状态，判断设备是否可用用银行家算法检查系统安全状态，判断是否可以分配分配控制器从DCT找出COCT，分配控制器分配通道从COCT找出CHCT，分配通道最后分配成功CHCT—COCT—DCT2024年3月30日285.5设备分配基于数据结构的设备分2024年4月1日295.5设备分配SPOOLing技术该技术是对脱机输入、输出系统的模拟，必须建立在具有多道程序功能的操作系统上，还有高速随机外存的支持，通常采用磁盘存储技术SPOOLin