操作系统(设备管理)知识点介绍

1、1、第6章，设备管理，主要内容：输入输出硬件概念、设备控制器、输入输出控制模式、缓冲技术、设备使用、输入输出层次、磁盘管理。重点：输入输出控制模式、缓冲类型和设备配置。难点：磁盘调度策略。2、6.1输入/输出硬件概念，6.1.1通用输入/输出设备、人机交互设备(字节设备、字节发送和接收)的分类；存储型设备(块设备，以块模式读写)；网络通信设备(网络接口、调制解调器)。输入输出设备的特点：不同的数据传输速率；不同的数据传输单元；控制的复杂性是不同的；设备被用于不同的目的。3 . 6 . 1 . 2设备控制器(输入/输出部件)，输入/输出设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子组件被称为输入/

2、输出组件或设备控制器(当控制多个设备时：也称为总线控制器和通道控制器)。通常，操作系统只处理控制器，而不是设备本身。早期，中央处理器直接控制外部设备。在输入输出组件被引入后，中央处理器逐渐从与外围设备交互的细节中解放出来。4、PCI总线控制器、处理器(CPU)、主存储器、图形卡、SCSI控制器、外围控制器、控制器、控制器、连接CPU、主存储器、设备控制器和输入/输出设备模型、磁带、磁盘、外围设备、SCSI总线、主板总线和设备控制器功能2。实现中央处理器与设备控制器、设备控制器与设备之间的数据交换；3.记录设备状态，供中央处理器查询；4.识别控制器的每个设备的地址；5，控制器的任务是完成外部设备

3、和中央处理器(存储器)之间的比特流(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于与中央处理器通信的输入输出寄存器。操作系统通过向这些寄存器写入命令字来执行输入/输出功能。IBM PC机的输入输出地址、存储器、0、k、n、控制器寄存器、7、6.1.3输入输出控制模式，(1)程序直接控制模式，中央处理器直接控制输入输出操作的全过程，包括测试设备状态、发送读写命令和传输数据。处理器的指令集应包括以下指令：控制类测试类读写类输入输出。示例：从外部存储器读取数据块到存储器(见下页)，8。向输入/输出组件发送读命令，读取输入/输出组件的状态寄存器，从输入/输出组件读取字数据，将字写入存储

4、器、不正常、正常、错误、正常、下一条指令、9、(2)中断控制模式，优点：无需重复测试中央处理器，节省时间。缺点：它仍然消耗大量的中央处理器时间。10.(3)直接存储器存取模式，直接存储器存取模式的思想：直接存储器存取负责完成整个输入输出操作，而不通过中央处理器寄存器转发，并在所有传输完成后向中央处理器发送中断信号。对DMA的命令应该包括：操作类I/O设备的地址，内存中读写数据的第一个地址的字数。向直接存储器存取组件发送读命令，读取直接存储器存取组件的状态，中断，中断后续处理，注意：直接存储器存取功能可以作为独立的直接存储器存取组件在系统输入/输出总线上完成，或者集成到输入/输出组件中。缺点：直

5、接存储器存取组件需要与中央处理器竞争控制总线。11，中央处理器直接控制外部设备，引入输入输出组件，中央处理器直接控制输入输出组件，引入中断驱动模式，引入直接存储器存取，输入输出通道或输入输出处理器，以及输入输出控制模式的开发过程，12，6.2设备输入输出子系统，6.2.1设备使用方法1。设备相关系统调用1有一个参数指示要申请的设备的名称。当操作系统处理此系统调用时，它将根据设备特性(独占或分时)和设备占用情况分配设备，并返回应用成功标志。2.将数据写入设备。3.从设备中读取数据。4.释放设备。这是应用设备的反向操作。描述：它主要用于人机交互等慢速外设的使用。对于存储外设，用户程序通常通过文件访

6、问。13，在UNIX中，可以通过以下系统调用将数据直接写入软盘：FD=open(“/dev/fd0”，ordrw)；申请软盘，/dev/fd0代表软盘。lseek(fd，1024，0)；将软盘的当前输入/输出位置定位到1024字节的位置。写(fd，缓冲区，36)；将用户缓冲区中的36字节写入软盘10241059字节。关闭(FD)；释放软盘。14，2。专用设备，如打印机，15，3。设备分时专用设备时，设备利用率很低。分时：设备与一个输入输出单元分时使用，不同进程的输入输出操作请求以排队方式占用设备进行输入输出。注：逻辑完整数据的输入输出操作。比如终端设备和磁盘设备。16，请求，请求，设备，图6.

7、6队列使用设备，17，生成条件：输入输出中断；渠道；磁盘。假脱机(PoLicy)的基本思想是使用磁盘设备作为主机的直接输入/输出设备，即主机从磁盘中选择作业并运行它，结果也存在于磁盘中。相应的通道负责磁盘和慢速外围设备之间的传输。通过使用通道和中断机制，作业的输入/输出和作业在处理器上的操作可以很好地并行。4。在假脱机模式下使用外设，18、通道、主机、通道、卡机、打印机、假脱机系统图、磁盘、19，例如：所有输出数据都已写入文件，并排列在打印输出队列中。在打印过程申请占用打印机后，文件中的数据被分批读出并发送到20，6.2.2输入/输出层次。一般来说，操作系统将设备管理系统分为三个层次：用户级输

8、入输出；独立于设备的输入输出；设备驱动和中断处理；21，用户进程，用户级输入/输出，设备无关输入/输出，设备驱动程序和中断处理，硬件，设备管理子系统，逻辑结构图，22，1。用户级输入输出，与设备的控制细节无关。所有设备都被视为逻辑资源，并为用户进程提供各种输入/输出功能。用户使用带有设备标识符和一些简单功能的设备，如打开、关闭、读取和写入。例如，fopen()、fread()、fwrite()、fclose()等。23，二。独立于设备的输入/输出，基本功能：执行适用于所有设备的公共输入/输出功能，并为其上层提供统一的系统调用接口。任务包括：1 .设备名称和与设备驱动程序的映射。例如，在UNIX

9、中，/dev/tty00唯一确定一个I节点数据结构，它包含主设备号，相应的设备驱动程序可以通过主设备号找到。2.设备保护：许可证保护。3.缓冲输入输出：块设备和字符设备。4.错误报告：报告驱动程序生成的错误信息。5.分配和释放专用设备：应用和关闭。24，3。设备驱动程序和中断处理。设备驱动程序包括所有与设备相关的代码，其功能是接收来自与设备无关的软件的输入输出请求，并将它们排队到请求队列中或执行它们；执行时，将请求翻译成更具体的形式。2.中断处理当一个进程执行一个输入输出操作时，它会阻塞直到输入输出操作结束并中断。当中断发生时，中断处理程序启动请求队列中的下一个请求，并移除输入/输出进程的阻塞

10、状态，以便它可以继续执行。25，6.2.3设备驱动程序，一种设备驱动程序接口函数驱动程序初始化函数：为驱动程序本身做一些初始化工作，例如向操作系统注册驱动程序的接口函数，当系统启动或驱动程序安装在内核中时执行。驱动程序卸载功能：仅在支持驱动程序动态加载和卸载的系统中需要。申请设备功能：申请司机管理的设备，根据设备特点采取独占或分时占用。释放设备功能io操作功能：实现对设备的IO。对于专用设备：包括启动输入输出的指令；分时设备：输入输出请求形成一个请求包，安排在设备请求队列中。中断处理功能：当设备输入输出完成时，向中央处理器发送一个中断，然后被调用。functIOn处理io完成的后果。2.与设备

11、管理相关的数据结构描述设备和控制器等组件的表：通常为系统中的每个组件和每个设备设置一个表，通常称为设备表或组件控制块。这种表格具体描述了设备的类型、标识符、进度状态以及当前用户的过程标识符。建立同类资源的队列：通常，具有相同物理属性的设备通过基于设备表的指针连接到队列(称为设备队列)。进程输入输出请求的动态数据结构：每当一个进程发出一个块输入输出请求，系统就建立一个表(称为输入输出请求包)。在表格中填入该输入/输出请求的参数，并在表格中填入与该输入/输出相关的系统缓冲区地址等信息。输入/输出请求数据包在输入/输出完成时被删除。建立一个输入输出队列，如请求包队列。27，与设备管理相关的数据结构关

12、系，28，介绍原因：(1)它可以改善进程运行速度和输入输出传输速度之间的速度差矛盾。(2)减少中央处理器中断的次数。(3)提高中央处理器和输入输出设备之间的并行性。6.2.4缓冲技术，29，块设备字符设备：一次一行：打印机，显示器，一次一个字节：传感器，控制杆，30，31，缓冲结合预读和延迟写技术，非常有助于重复和突发输入/输出过程，提高输入/输出速度。32，6.3存储设备6.3.1常见的存储外设、磁盘数据组织磁盘由多个磁盘表面组成，磁盘表面由同心磁道组成，磁道由扇区组成，扇区是基本的传输单元。身体特征单头，多头。33、多头移动头盘示意图、34、光存储设备光盘；激光唱机，激光唱机.35、6.3

13、.2磁盘调度和磁盘地址：站号、柱面号、磁盘号、扇区号。一次读写磁盘信息所需的时间可分为：搜索时间(寻道时间)、延迟时间和传输时间。为了提高磁盘传输的效率，软件应该重点减少搜索时间和延迟时间。36，1。减少寻道时间(寻道时间)的方法是提高磁盘传输效率的关键。因为“搜索时间”大约是几十毫秒。操作系统的磁盘驱动程序可以通过对磁盘访问请求的顺序合理地调度多个进程，从而减少磁盘的平均服务时间。1.先到先服务(FCFS):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):它根据头部的当前位置选择与请求队列中的头部距离最短的请求响应。3.扫描：也称为升降机

14、策略，它要求磁头臂只在一个方向上移动，并满足途中所有未完成的请求，直到它到达这个方向上的最后一个磁道，或者在这个方向上没有其他请求(查找算法)，然后反转服务方向，并以相同的顺序完成请求。4.这是一种循环扫描方法。当到达最后一个磁道时，磁头臂返回磁头的另一端，并开始再次扫描。(不需要到达端点，称为C-Look算法)，38。其他调度策略，为了避免头臂的粘性，磁盘请求队列被分成多个段，并且一次只有一个段被完全处理。1.N-Step-SCAN:它将磁盘请求分成长度为n的子队列，并使用SCAN一次处理一个子队列。当n较大时，性能类似于扫描，当N1降级为FCFS时。2.使用了两个子队列。扫描开始时，所有请求都在一个队列中，而另一个队列为空。在扫描期间，所有新到达的请求都被放入另一个队列。因此，新请求的服务被延迟，直到所有旧请求都被处理。39，假设磁盘有200个磁道，磁盘请求队列中有一些随机请求。根据接收顺序，请求的轨道是：55、58、39、18、90、160、150、38、184。目前，FCFS策略中磁头臂在100条磁道上的移动轨迹如下：18、38、39、55、58根据接收顺序，请求的轨道是：55、58、39、18、90、160、150、38和184。目前，SSTF 100轨道策略中头臂的移动轨迹如下：根据接收顺序，请求的轨迹为：55、58、39、18、90、160、150、38和184。目