《操作系统结构分析及应用编程》第4章 设备管理

1、1,4.1 设备管理子系统概述,4.1.1 设备管理的主要功能,1. 设备的分配,在多道程序系统中，用户不能直接使用设备，由操作系统统一调度和控制。,2,2. 设备映射,为了增加软件对运行平台的适应性，现代大多数据操作均支持应用软件对设备的无关性。,设备的无关性是指软件所需的设备与具体的设备没有直接的联系。,3,为了实现设备的无关性，引上入了丙个基本概念：,逻辑设备:对某一类物理设备的抽象；,物理设备:某一个具体的物理设备；,在应用软件中指定逻辑设备，操作系统再根据用户的指定选定具体的物理设备进行操作。,4,3. 设备驱动,设备驱动程序与具本的硬件密切相关，负责对设备的具体操作。,4. I/O

2、缓冲区管理,由于外设的速度较CPU慢很多，为了提高CPU的利用率，系统引入了I/O缓冲区管理。,5,4.1.2 设备管理分层模型,大多数现代操作系统对设备的管理都采用分层的管理模型。,用户进程,设备硬件无关层,设备硬件相关层,设备硬件,6,4.1.3 I/O控制方式,1. 程序I/O方式,由用户程序直接控制对外设的输入输出操作。,2. 中断方式,程序控制方式有一个严重的缺点：独占CPU，使CPU的速度降到外设的水平，不能充分发挥CPU的性能，为了克服这个,7,缺点，引入了中断控制传输方式。,中断控制方式，也称中断传送方式。当外设准备好后，向CPU发出中断请求，使CPU中断现行程序的执行，转去执

3、行为外设服务的输入或输出程序，执行完对外设的输入或输出操作后，CPU再继续执行原来的程序。,8,3. DMA方式,DMA( Direct Memory Access)即直接存储器存取方式，它是在不需要CPU介入的情况下，由专门的硬件（DMA控制器）直接控制数据的传送。,DMA方式适合于高速外设与内存之间的批量数据传送，例如磁盘与内存之间的数据交换。,9,4. I/O通道方式,通道方式通过执行通道程序控制外设与内存进行数据交换。,10,4.2 设备分配,1. 设备控制块UCB,4.2.1 相关的数据结构,每个设备都有一个UCB，它是设备存在的标志，UCB的信息主要有：,(1) 设备标识；,11,

4、(2) 设备状态；,(3) 相连的控制器；,(4) 重试次数(I/O出错时)；,(5) 占有设备的进程；,(6) 设备等待队列；,(7) 通路等待队列；,12,2. 控制器控制块CUCB,3. 通道控制块CCB,4. 系统设备表(SDT),4.2.2 设备分配算法,1. 设备分配算法,(1) 先来先服务,(2) 优先级高者优先服务,13,2. 独占设备的分配,独占性设备是指在一个时间段内只能有一个进程占有并使用。,进程使用独占性设备过程为：申请、使用、释放。,3. 共享型设备的分配,14,4.3 I/O缓冲技术,为了提高系统的I/O性能，通常要采用I/O缓冲区，例如：打印缓冲区、磁盘缓冲区。,

5、1.使用缓冲区,(1)缓解处理器与设备之间不匹配的矛盾,15,(2)实现设备与处理器一定程度上的并行,(3)减少设备的中断频率,放宽对中断响应的限制;,引入缓冲区技术后,系统可以利手提前读和延迟写技术改善系统性能;,2.缓冲存储器类型:硬件缓冲和软件缓冲,16,3.缓冲区组织形式,单缓冲,双缓冲,循环缓冲,缓冲池,17,操作系统通常提供两种缓冲池:,一种用于块设备:通常较大,一种用于字符设备:通常较小,缓冲区属于操作系统的空间,用户不能直接访问。,18,4.缓冲技术的实现,缓冲区由系统管理，用户要使用向系统请请。,(1) 输入设备,数据从输入设备到缓冲由设备驱动程序完成，缓冲区到用户由操作系统

6、完成。,19,(2) 输出设备,数据从用户到缓冲区由操作系统完成,从缓冲区到输出设备由设备驱动程序完成。,(3) 输入/输出设备,20,4.4 虚拟设备,虚拟设备：从具体设备中抽象出来的设备。,1. 虚拟设备技术的工作原理,用户,虚拟设备,物理设备,共享,独立,21,2. 虚拟设备的实现,当用户需要进行I/O操作时，系统为其分配一个I/O缓冲区，用户的I/O操作都是针对这个I/O缓冲区进行的，这样的缓冲区有多个，系统再调用实际的设备对每个缓冲区进行I/O操作。,22,3. Spooling系统,Simultaneous Peripheral Operations On-Line,中文直译：联机

7、情况下同时进行的外围设备操作，通常称其为“假脱机”操作。,其主要原理：,低速的外设先将数据高速设备，然后再进入系统。,23,4.5 磁盘设备的管理,4.5.1 磁盘设备,1. 寻道时间,2. 转速,3. 传输延时,4. 缓存,24,4.5.2 磁盘调度算法,1. 先来先服务原则FCFS,这是最简单最公平的调度算法，但效率低下。,2. 最短寻道时间优先算法SSFT,3. 扫描算法SCAN,25,扫描算法也是称电梯算法。先将与磁头移动方向一致的数据读完，再反方向读取。,4.N步扫描算法N-SCAN,4.5.3 磁盘高速缓存,26,4.6 Linux的设备管理,Linux中对设备的管理主要采用两种方

8、式：,轮询(Polling)：周期性地查询设备的工作状态；,中断(Interrupt)：,27,Linux将设备分为块设备、字符设备、网络接口设备三类。,Linux中，每台设备都有一个主设备号和一个从设备号。,主设备号：描述与设备对应的设备驱动程序。,从设备号：描述一个驱动程序控制的不同设备。,28,4.6.1 Linux驱动程序的设计框架,1. 设备的注册和注销,对字符设备用register_chardev( )函数；,对块设备用register_blkdev( )函数；,29,2. 对设备的操作,(1) 设备的打开与释放,在Linux中将设备当作文件对待，故也用Open()函数，例如，lp_open()、hd_open()。,释放设备函数release() ，例如，lp_release()