操作系统设备管理

1、第五章 操作系统设备管理,訾小超,2,本章主要内容：,概述 设备管理的目标 设备的类型 设备和OS的通信方式 设备管理和分配 设备维护 设备分配 设备管理的向上接口 磁盘调度 Linux的设备管理,3,1、概述,1-1、为何要引入设备管理 设备千差万别，即使同类设备也会存在实现细节和接口方面的区别。如果让使用者（应用程序）直接操纵设备。 会加重应用程序设计者的负担。 应用程序依赖于具体的设备，应用程序的移植性比较差。 设备利用率低。根源： 无法实现设备共享 对一些低速设备，难以协调处理器和外设的速率不匹配问题,4,1-2、操作系统设备管理的要求和目标 为用户提供方便、统一的设备使用界面。 提高

2、外部设备利用率，尽量提高并行程度 实现程序与设备的无关性。 要解决快速的处理器与慢速的I/O设备之间的操作匹配的问题：缓冲区、预读、缓写等手段。 设备管理要实现这些缓冲区的建立、分配、释放与回收。,5,1-3、设备管理和使用的软件层次关系 底层通信（中断处理）： 实现软件和硬件设备的通信。 设备驱动： 接受来自上层的抽象操作请求，并负责操作的具体实施。 主要组成： 与设备打交道的软件部分。 共享支持、缓冲区支持等。 对用户层的形式上统一的I/O接口： 每个I/O调用接口对应具体的设备抽象操作。 使用设备的用户级程序： 通过调用所提供的接口来实现对设备的使用或控制。,6,1-4、设备的类型 设备

3、种类比较多，每种的特征差别很大。 分类方式不一，可以从多个角度进行分类。 设备外在功能（使用者的角度）： 输入设备 输出设备 存储设备 设备的数据传输方式上（设备研制者）： 块设备 字符设备 流设备,7,设备的存在形式上（OS角度）： 物理设备 逻辑设备 设备的使用形式（使用和OS管理角度）： 共享设备 独占设备,8,2、设备和OS间的通信控制方式,2-1、通信的硬件原理： I/O设备组成： 机械部件（实施部件）：具体实现设备的操作。 电子部件（接口部件）：又叫设备控制器， 直接外接用于控制和数据通信的电缆线。 操作系统与控制器直接打交道，发送操作命令，或收发数据。 控制器接收OS发来的操作指

4、令，控制机械部件完成相应操作。,9,设备控制器的接口特征 简单的通信接口只要通过一根信号线的高低电平就能通信。 对复杂的设备，可能很多字节的内容需要访问（设置或查询），总的来讲分为两类： 控制类：一般称为控制寄存器。OS通过设置控制寄存器，向设备发出操作指令。或通过查询控制寄存器来获知设备的工作状态。 数据类：一般称为数据寄存器。OS通过设置数据寄存器传出控制参数，或进行数据I/O。数据寄存器可能包含多个。,10,为每位或每个控制寄存器提供一根或一组信号线（太多的信号线）直接相连是不现实的。 为兼容CPU的体系结构，出现地址的概念。把所有寄存器统一进行编址，一般而言这种编址是连续的（假定0-5

5、0字节）。访问时： 将设备的控制器与系统总线相连 先发地址信号，然后访问对应的寄存器。,11,设备的I/O地址 设备内部的I/O编址：局限于单个设备 整个系统I/O编址：需要把单个设备的I/O编址映射到系统全局编址。一般利用偏移映射即可 与内存统一编址：同一般的内存访问操作。 与内存分开编址：需要使用专门的I/O指令访问设备控制器的寄存器 在设备接入之后，需要分配合适的I/O地址。设备内部的I/O地址要映射到所分配的I/O地址上。,12,2-2、通信控制方式的类型 询问（轮询）方式： 询问方式又称程序直接控制方式。 OS发出操作指令（设置控制寄存器）后，设备控制器收到指令控制设备机械部件开始工

6、作，工作完成之后设置设备控制寄存器的相应状态位。 OS检查设备控制寄存器的状态位，才能确定硬件操作是否完成。 为了确定操作是否完成，需要不断进行询问。,13,中断方式： 中断控制器引入后，外围设备有了反映其状态的硬件基础。 在操作完成之后，设备控制器在设置设备控制寄存器的相应状态位的同时，还要中断控制器发送信号。 中断控制器向CPU发送中断信号 CPU收到中断信号后，调用相应的处理程序：检查设备控制寄存器的状态位，进行相应处理。 中断方式消除了程序查询方式的忙式测试，提高了CPU资源的利用率 。,14,中断控制器支持的中断数量有限，每个进行了编号。设备接入系统后，需要分配中断号。一般情况下，多

7、个设备不能共享同一中断号。 中断是重要的资源，设备在接入到系统中，需要分配合适的中断编号。没有合适的中断编号设备就不能正常工作。,15,DMA方式： 主存和I/O设备之间设计自动化的数据通路，在主存和I/O设备之间成块传送数据过程中，不需要CPU干预。 I/O设备能直接与主存交换数据而不占用CPU，CPU资源的利用率再次得到提高 。 DMA不仅设有中断机构，而且，还增加了DMA传输控制机构。若出现DMA与CPU同时经总线访问主存，CPU把总线占有权周期性让给DMA。 DMA方式线路简单，价格低廉，但功能较差（只能实现单块数据传输），不能满足复杂的IO要求。 系统中支持DMA的设备数量是有限的，

8、一般为四个。设备接入系统后，需要向DMA控制器申请。,16,I/O通道技术： 工作方式： I/O通道是一种硬件设施，带有专用处理器的，是有很强I/O处理功能的智能部件。 可以独立地完成系统处理器交付的I/O操作任务，通道具有自己专门的指令集，即通道指令。 通道执行来自处理器的通道程序，完成后向系统处理器发出中断，请求结束。 特征： I/O通道能够一次实现多个离散的数据块的传输。 I/O通道又叫输入/输出处理器。 通道属于高端系统配置，一般只在大型机系统中存在。,17,分类： 字节多路通道主要用于连接大量低、中速的I/O设备，每次传输一个字节： 以字节为单位交叉地工作，当为一台设备传送一个字节后

9、，立即转去为另一台设备传送一个字节。 选择通道主要用于支持高速设备（如磁盘），每次只对与一个设备进行数据传输。 数据传输是以块为单位，每次可以传输一批数据。 每当一个输入输出操作请求完成后，再选择与通道相连接的另一设备。 成组多路通道以分时方式同时执行几道通道程序，方别实现几个高速设备的数据传输。 数组多路通道的实质是：对通道程序采用多道程序设计技术的硬件实现。,18,2-3、中断处理 中断的基本类型： 一般PC机支持15个中断，具体类型主要有： 时钟中断： I/O中断：磁盘、键盘等 系统请求中断：用于实现系统调用等的特殊功能 报警中断： 程序错误中断：除零等 机器错误中断：硬件设备故障或异常

10、。,19,中断响应和实现的大致流程： 设备向中断控制器发送中断信号 中断控制器比较各个中断的优先级，如果有没有被屏蔽的中断。中断控制器向CPU发送中断信号。 CPU现场保存后，通过询问中断控制器，确定中断源（中断号）。 通过中断号，找到对应的中断处理程序。 中断处理结束后， 原运行在核心态：恢复现场，转向被中断的任务继续执行。 原运行在用户态：检查调度标志、信号设置标志。如果被设置，进行相应处理。否则恢复现场，继续执行。,20,2-4、时钟中断和处理 时钟的概念和用途 系统时钟：相当于一个钟表，是进行与时间相关的活动的依据，如在时间片调度方式下，如何判断时间片是否用完，如何判断闹钟到期等。 闹

11、钟：每个程序都可以设置闹钟，通过倒计时的方式实现。倒计时时间为0，系统会自动调用所设置的闹钟函数。,21,系统时钟的维护： 在计算机没有启动时。主板上包含了一个类似石英钟的物理时钟在记录时间的流逝和变化。 系统启动时，OS从物理时钟读取当前时间，保存在全局变量里。 时间度量单位为tick。 每过一个tick（一般是20毫秒），时钟芯片都会向CPU发送一个时钟中断。 中断处理程序： 时钟全局变量加1。 检查是否有与时间相关的任务。,22,中断处理的技巧（时钟中断为例）： 紧急任务： 时钟变量加1 非紧急任务： 当前进程运行时间统计量增加。 检查当前时间片是否用完。 计算所有进程的动态优先级。 闹

12、钟是否到期，处理函数。 睡眠时间是否到了，需要唤醒相应进程。,23,技巧： 只把紧急任务放在时钟中断处理程序中。 把非紧急任务在中断处理程序外，延迟处理。 具体延迟处理时间在：核心态回到用户态时。 Linux采用就是这种方式，延迟的处理叫底半部处理。,24,3、设备管理和分配,3-1、缓冲区和缓冲区管理： 缓存区存在的背景： 提高CPU和外设的并行度 缓解外设速度慢的瓶颈 缓冲区分类： 硬件缓冲：有些设备中会包含专门的硬件寄存器等用于缓冲。 软件缓冲：直接在主存中。,25,软件缓冲的分类： 单缓冲：一个缓冲，外设和CPU互斥进行操作。 双缓冲：设置两个缓冲区，交替使用。 循环缓冲：类似于循环队

13、列，依次使用。 缓冲池：系统维护一组大小相同的缓冲区，进程和设备按需要申请，使用完后重新归入缓冲池中。,26,3-2 设备分配 功能和目标 为进程或作业分配所需的设备。 充分发挥设备的使用效率，尽可能避免死锁。 分配方式： 静态分配: 作业开始运行时，一次性分配给所有可能使用到的设备。 缺点：设备利用率低 优点：简单，不会出现死锁。 动态分配： 进程使用设备时再进行相应分配 设备利用高，可能会出现死锁。,27,3-3、设备分配的原则 设备请求管理 要使用设备时必须提供进行I/O操作的有关信息，指出执行I/O的逻辑设备名（如设备号）、操作类型、传送数据的数目、信息源或目的地址等。 存放进行I/O

14、操作的信息的结构称为I/O请求块。如在UNIX系统中，系统的I/O请求块的内容是包含在缓冲区控制块buf中。 在请求I/O时，首先请求分配缓冲区，然后把与操作有关的信息写到buf中，并把这个buf挂到请求设备的I/O请求队列中去。,28,b_actf b_actl,av_forw,av_forw,av_forw,iobuf,buf,buf,swbuf,图5-13 设备I/O请求队列,29,先请求先服务 系统按先后次序组成I/O请求队列，每个设备一个队列。 当新的I/O请求块生成后，把该块挂在相应设备的I/O请求队列的队尾。 设备空闲时，从该设备的I/O请求队列的队首取出一个请求块，并按这个请求

15、块的要求进行I/O操作。,30,进程优先级高的优先服务 系统按请求进程的优先级由高到低次序组成I/O请求队列，每个设备一个队列。 当新的I/O请求块生成后，根据请求优先级把该块挂在相应设备的I/O请求队列中的合适位置。 设备空闲时，从该设备的I/O请求队列的队首取出一个请求块，并按这个请求块的要求进行I/O操作。,31,3-4、设备分配技术 独占设备： 同时只能分配给一个请求进程。 共享设备： 同时可以一个设备分配给多个请求进程。 虚拟设备： 用一个物理设备来同时模拟多个独占设备，达到设备共享的目的，提高设备利用率。,32,3-5、SPOOLING技术 背景和目标： SPOOLing系统可以进

16、行作业的批处理。整个系统由三部分组成： 第一部分输入作业和数据到输入井（磁盘）中，称为假脱机输入 第二部分是从磁盘输入井中提取作业交CPU执行，称为作业管理部分 第三部分是从磁盘输出井（磁盘）中选择一个作业的输出将其送往打印机输出，称为假脱机输出。三部分的工作在一定条件可以互相重叠执行,33,3-6、设备独立性 背景： 同类设备有多台，如果作业申请设备时指定某一台具体的物理设备，当指定的某台设备有故障时该作业也就不能投入运行。 如果还有好的同类设备可以替代，这种设计显然不合理。 解决思路： 为了解决这一问题，通常用户不指定特定的设备，而指定逻辑设备，使得用户作业和物理设备独立开来，再通过其它途

17、径建立逻辑设备和物理设备之间的对应关系，我们称这种特性为“设备独立性”。 具有设备独立性的系统中，用户编写程序时使用的设备与实际使用的设备无关，亦即逻辑设备名。 设备管理的功能之一就是把逻辑设备名转换成物理设备名。,34,设备独立性的好处： 用户与物理的外围设备无关，系统增减或变更外围设备时程序不必修改；易于对付输入输出设备的故障，例如，某台行式打印机发生故障时，可用另一台替换，甚至可用磁带机或磁盘机等不同类型的设备代替。 提高了系统的可靠性，增加了外围设备分配的灵活性，能更有效地利用外围设备资源，实现多道程序设计技术。,35,4、设备管理的上层统一接口,4-1、背景 I/O设备数量很多，特性

18、差别很大，应用程序难以直接操作设备 操作系统的设备管理需要隐藏设备的操作细节。 需要解决两个问题： 如何用统一的方式来标示设备。 如何用同统一的方法来表示设备的不同操作,36,4-2、设备的命名 在Linux/unix下，设备是以文件名的形式来表示的。如/dev/tty0，这些文件叫设备文件。 设备文件的名字供应用程序使用，把设备文件和对应的设备（或设备驱动程序）联系起来的是设备文件的两个属性： 主设备号：通过主设备号就可以找到相应的设备驱动程序 。同种类型的设备如果驱动相同，主设备号可以相同。 次设备号：它作为传给驱动程序的参数指定具体的物理设备 。,37,4-3、设备操作的统一接口实现思路

19、 操作系统对上提供若干高级I/O系统调用：getc, putc, read , write ,seek, open, close等。这些调用接口同普通文件的调用接口。 这些I/O系统调用对应抽象的I/O操作，包含对I/O设备的控制：请求、相应、处理控制、缓冲等。 对这些抽象I/O操作请求，不同的设备具有不同的理解，对应不同的设备动作。 总之：通过抽象的I/O操作把应用程序与复杂的I/O设备控制隔离开来。 关键技术：如何把抽象I/O操作和具体的操作实现（设备控制）联系起来。,38,4-4、设备控制表 设备控制表DCT包含多个表项，每个设备对应一个表项。 每个表项对应一个设备，内容包括： 设备描述

20、符 设备地址 设备属性 设备状态,39,4-5、设备开关表 设备开关表实现抽象操作到设备具体操作的映射。 标准的文件操作接口-针对特定设备的具体实现函数,40,5、磁盘调度,5-1、磁盘的物理特性 硬件组成： 磁盘驱动器： 是机械部分，包括：驱动电机，读写磁头，及相应的控制电路。 磁盘控制器： 实现与计算机的逻辑接口 接受来自CPU（或通道）指令，命令磁盘驱动器完成具体操作 一个磁盘控制器可以控制多个磁盘驱动器进行操作。 单个磁盘的存储组织 以块为单位进行存储组织，块大小一般为512字节，一块被称为一个扇区。 块是多维编址的：驱动器号、磁面号、磁道号、扇区号，四个参数才能唯一确定一个扇区。,4

21、1,磁盘操作请求和响应 磁盘操作请求包含参数：操作类型（输入或输出）、（首）扇区地址、数据长度、数据内存地址。 如果磁盘驱动器空闲，请求可以立即得到服务。否则排队等候。 一个请求完成后，检查是否有排队等候的请求，若有，开始为请求进行服务。 磁盘操作的时间消耗 寻道时间：把读写头移动到相应磁道上的时间； 等待时间：等待指定扇区旋转到读写头下面的时间； 数据传送时间：磁盘和内存之间发生数据传输的时间。 磁盘调度的目标 提高有效的数据吞吐率。 减少请求的平均等待时间。,42,5-2、先来先服务调度算法 算法思想： 按请求的时间顺序，依次进行服务 优点： 实现简单 对每个请求看似“公平” 缺点： 寻道

22、时间长，磁头移动幅度大。 例如：当前位置53，服务请求队列98-183-37-122-14-124-65-67。总共需要移动640个磁道。,43,5-3、最短寻道时间优先调度 算法思想： 寻道时间一般与磁头当前位置（所在磁道）和目标磁道间的差值成正比。 优先响应寻道时间最短的请求。该请求对应的磁道与其它请求对应的磁道相比，离当前磁头最近。 优点： 寻道时间较短，服务效率较高，服务平均等待时间较短。 例如：当前位置53，服务请求队列98-183-37-122-14-124-65-67。服务顺序53-65-67-37-14-98-122-124-183：总共需要移动236个磁道。 缺点： 公平性差，可能会出现服务请求长期得不到服务，甚至饿死。 寻道时间并非最优。,44,5-4、扫描法（电梯调度法） 算法思想： 磁头从一端出发向另一端移动，移动过程中，发现有请求对应磁头下的磁道，就对该请求提供服务。到另一端后，开始反向移动，遇到请求进行服务。 算法特点: 每个请求的等待时间不均匀，且平均等待时间长。 如到达另一端反向时，将扫描的是刚刚扫描过的磁道，这里的请求显然少