第六章设备管理.ppt

1、作业,P135 3、4、8、9、10、12、14、16 P167 1、2、4、5、7、8、9 P200 9、10,第六章 设备管理 设备管理是操作系统中负责直接处理硬件设备的部分，它对硬件设备进行抽象，使用户程序通过操作系统完成对I/O设备的操作。6.1 概述6.2 I/O软件的组成6.3 I/O硬件特点6.4 有关技术6.5 网络设备6.6 设备处理6.7 典型外部设备,6.1 概述6.1.1 I/O管理的重要性,I/O设备就像计算机系统的五官和四肢 2. 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

2、：更多的进程 (3)进程切换多，系统开销大,3.操作系统庞大复杂的原因之一是：资源多、杂，并发，均来自I/O 4.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 5.与其他功能联系密切，特别是文件系统,6.1.2 设备的分类,1.按使用特性分 存储型设备 输入型设备（外设主机） 输出型设备（主机外设） 输入输出型设备（交互型设备） 2.按数据组织分 块设备 以数据块为单位存储、传输信息 字符设备 以字符为单位存储、传输信息,3.按外部设备的从属关系分 系统设备 指操作系统生成时，登记在系统中的标准设备 （如终端、打印机、磁盘机等） 用户设备 指在系统生成时，未登记在系统中的非标

3、准设备。对于这类设备的处理程序由用户提供，并将其纳入系统，由系统代替用户实施管理。 （如A/D，D/A转换器，CAD所用专用设备）,4. 按资源分配角度分 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。（如打印机，磁带等） 共享设备 在一段时间内可有多个进程以交叉的方式来共同使用的设备，其资源利用率高。（如硬盘） 虚设设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备。目的是将慢速的独占设备改造成多个用户可共享的设备，提高设备的利用率。 （实例：SPOOLing技术，利用虚设备技术 用硬盘模拟输入输出设备）,5.从

4、程序使用角度分 逻辑设备 物理设备 6.按数据传输率分 高速设备 低速设备 中速设备,6.1.3 设备管理的目标和任务,按照用户的请求, 控制设备的各种操作, 完成I/O设备与内存之间的数据交换, 最终完成用户的I/O请求 完成功能: (1) 设备分配与回收 记录设备的状态 根据用户的请求和设备的类型, 采用一定的分配算法, 选择一条数据通路 (2) 建立统一的独立于设备的接口 (3) 完成设备驱动程序，实现真正的I/O操作 (4) 处理外部设备的中断处理 (5) 管理I/O缓冲区,2. 向用户提供使用外部设备的方便接口，屏蔽了硬件细节(设备的物理细节, 错误处理, 不同I/O的差异性)使用户

5、摆脱繁琐的编程负担。 方便性、 友好界面、 透明性 3. 利用各种技术(通道, 中断, 缓冲等)提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力, 提高资源利用率 并行性 均衡性（使设备充分忙碌） 4. 保证在多道环境下, 多个进程竞争使用设备时, 按一定策略分配和管理各种设备,使系统能有条不紊的工作 5. 保护 设备传送或管理的数据应该是安全的、不被破坏的、保密的,6. 与设备无关性(设备独立性) 用户在编制程序时, 使用逻辑设备名, 由系统实现从逻辑设备到物理设备(实际设备)的转换。 用户能独立于具体物理设备而方便的使用设备,用户申请使用设备时, 只需要指定设备类型, 而无须指定具体物理设备

6、, 系统根据当前的请求, 及设备分配的情况, 在相同类别设备中, 选择一个空闲设备,并将其分配给一个申请进程。 7. 统一性： 对不同的设备采取统一的操作方式, 在用户程序中使用的是逻辑设备。优点是: 设备忙碌或设备故障时，用户不必修改程序 改善了系统的可适应性和可扩展性,6.1.4典型的外部设备,一.磁盘 几乎所有计算机都使用磁盘来存储信息。从存储角度，与内存比较起来，磁盘有三个主要的优点： 1. 可用的存储容量非常大 2. 价格非常低 3. 电源关掉后信息不会丢失,实际的硬盘都组织成许多柱面，每一个柱面上的磁道数和垂直放置的磁头个数相同 磁道又被分成许多扇区，每条磁道上扇区数目典型为8至3

7、2，每个扇区包含相同的字节数 磁盘驱动程序有重要设备特性：控制器可以同时控制两个或多个驱动器进行寻道，这就是重叠寻道（overlapped seeks） 当控制器和软件等待一个驱动器完成寻道时，控制器可以启动另一个驱动器进行寻道。许多控制器也可以在对一个或多个其他驱动器寻道的同时在一个驱动器上进行读写操作 但是控制器不能同时读写两个驱动器（读写数据要求控制器在微秒级范围传输数据，所以一个传输就基本用完了所有的计算能力）,二.时钟 时钟（clock），又称为定时器（timer） (1) 时钟负责提供一天的时间 (2) 防止一个进程垄断CPU 时钟既不是块设备，也不是字符设备，但时钟软件通常也采用

8、设备驱动程序的形式。 两种类型： 比较简单的时钟被连到110V或220V的电源线上，每个电压周期产生一个中断，频率是50Hz或60Hz 另一种时钟由三个部件构成：晶体振荡器、计数器和存储寄存器 石英晶体产生的精确的周期信号，典型的范围是5到100MHz 信号送到到计数器，使其递减计数至0。当计数器变为0时，产生一个CPU中断信号,可编程时钟操作方式： 在单脉冲方式（one-shot mode）下，当时钟启动时，它把存储寄存器的值拷贝到计数器中，然后，晶体的每一个脉冲使计数器减1。当计数器为0时，产生一个中断，并停止工作，直到软件再一次显式启动它 在方波方式（square-wave mode）下

9、，当计数器为0并产生中断时，存储寄存器的值自动拷贝到计数器，这个过程不断地重复下去。周期性的中断称为时钟滴答（clock tick ） 可编程时钟的优点是其中断频率可由软件控制 时钟硬件所做的工作是每隔一定的时间间隔产生一个中断 涉及时间的其他所有工作都必须由软件时钟驱动程序完成,时钟软件的功能： 1维护日期时间 2防止进程超时运行 3对CPU的使用情况记帐 4处理用户进程提出的时间闹钟系统调用 5为系统本身各部分提供监视定时器 6绘制CPU运行直方图，完成监视和统计信息收集,三.终端 每台计算机都配有一个或多个终端与之通信 为了使操作系统中与设备无关部分和用户程序对于不同型号的终端不必重写，

10、终端驱动程序隐藏了各种类型终端的差异 根据与操作系统的通信方法将终端分为两大类： （1）RS232标准接口 （2）存储映像终端 RS232终端 由键盘和显示器构成，通过串行接口一次一位地与计算机系统进行通信。这些终端使用25针的连接器，其中一针用于发送数据，一针用于接收数据，一针接地，其余22针用于各种控制功能（大部分未使用）,存储映像终端 本身是计算机的组成部分 通过专用存储器接口与计算机通信，称为视频RAM（video RAM），是计算机地址空间的一部分，CPU对它的寻址与对其他存储器的寻址是一样 视频控制器(video controller)，从视频RAM中取出字符，产生用于驱动显示器视

11、频信号 当CPU将一个字符写到视频RAM时，在一帧显示周期内显示在屏幕上,6.2 I/O软件的组成,IO软件的基本思想是按分层的思想构成，较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性，较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口,I/O软件的层次结构及功能,IO软件的目标,设备独立性 是设计IO软件时的关键概念。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序时,无需为不同的设备类型而修改程序。 统一命名 文件或设备有统一命名, 名字只应是一个简单的字符串或一个整数, 不应依赖于设备。 出错处理 数据传输中的错误应尽可能在接近硬件层上处理 可共享设备和独占设备的处理,中断处理程序 每个进

12、程在启动一个IO操作后阻塞 直到IO操作完成并产生一个中断 由操作系统接管CPU后唤醒该进程为止,设备驱动程序 与设备密切相关的代码放在设备驱动程序中, 每个设备驱动程序处理一种设备类型 每一个控制器都设有一个或多个设备寄存器，用来存放向设备发送的命令和参数。设备驱动程序负责释放这些命令, 并监督它们正确执行。 一般, 设备驱动程序的任务是接收来自与设备无关的上层软件的抽象请求, 并执行这个请求 在设备驱动程序的进程释放一条或多条命令后,系统有两种处理方式, 多数情况下, 执行设备驱动程序的进程必须等待命令完成, 这样, 在命令开始执行后, 它阻塞自已, 直到中断处理时将它解除阻塞为止。而在其

13、它情况下, 命令执行不必延迟就很快完成,与设备无关的I/O软件 虽然IO软件中一部分是设备专用的，但大部分软件是与设备无关的。设备驱动程序与设备独立软件之间的确切界限是依赖于具体系统的。 独立于设备的软件的基本任务是实现所有设备都需要的功能，并且向用户级软件提供一个统一的接口。 主要功能：设备命名；设备保护；与设备无关的块大小；数据缓冲；数据块的分配；对独占设备的分配与释放；错误处理等。,6.3 I/O硬件特点,IO设备一般由机械和电子两部分组成 1.物理设备 机械部分是设备本身（物理装置） 2.设备控制器 电子部分叫做设备控制器或适配器。 在小型和微型机中，它常采用印刷电路卡插入计算机中 控

14、制器卡上通常有一个插座，通过电缆与设备相连 控制器和设备之间的接口是一个标准接口，它符合ANSI、IEEE或ISO这样的国际标准,一.DMA（直接存储器访问）方式 为了进一步减少CPU对I/O的干预引入DMA控制方式, 它有以下特点： 数据在内存与I/O设备之间传送的基本单位是数据块。 数据是直接在设备内存之间传送的。 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需要CPU对I/O的干预, 传送工作本身是由DMA控制器完成的。 DMA需要附加的辅助硬件，且该DMA硬件属于设备的电子部分的功能（由控制器实现）。许多控制器，尤其是块设备控制器都支持DMA。,DMA控制器的组成 主机与DMA控制器的接口

15、 数据寄存器(DR) 内存地址寄存器(MAR) 数据计数器(DC) 命令/状态寄存器(CR) DMA控制器与块设备的接口 I/O控制逻辑,DMA方式的工作流程 （1）设置MAR和DC初值； （2）启动DMA传送命令； （3）挪用存储器周期传送数据字； （4）存储器地址增加1, 数据计数器DC减1； （5）DC=0 则到（6）, 否则到（3） （6）请求中断,CPU向控制器发出启动DMA通知和有关参数,控制器向内存发出询问请求,访问内存（读、写）,计数器减1,结束否,发中断,N,Y,DMA的实现流程,二. 通道技术 1.定义：通道是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备

16、实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入、输出操作可与CPU并行操作。 2.引入通道的目的 为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备，设备与设备之间的并行工作能力,3. 分类 1) 字节多路通道 字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地执行多个通道程序。当一个通道程序控制某台设备传送一个字节后，通道硬件就控制转去执行另一个通道程序，控制另一台设备传送信息。 主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机，终端。 以字节为单位交叉传输，当一台传送一个字节后，立即转去为另一台传送字节,2)选择通道 选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送

17、速度很高。选择通道在一段时间内只能执行一个通道程序，只允许一台设备进行数据传输 当这台设备数据传输完成后，再选择与通道连接的另一台设备，执行它的相应的通道程序 主要连接磁盘，磁带等高速I/O设备,3)数组多路通道 它结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行分时并行操作的优点。它先为一台设备执行一条通道指令，然后自动转接，为另一台设备执行一条通道指令 主要连接高速设备 这样，对于连接多台磁盘机的数组多路通道，它可以启动它们同时执行移臂定位操作，然后，按序交叉地传输一批批数据。数据多路通道实际上是对通道程序采用多道程序设计的硬件实现,4.硬件连接结构,交叉连接,5. 通道工作原理 通道相当于一

18、个功能简单的处理机，包含通道指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序 通道运算控制部件： 通道地址字 CAW：记录通道程序在内存中的地址 通道命令字 CCW：保存正在执行的通道指令 通道状态字 CSW：存放通道执行后的返回结果 通道数据字 CDW：存放传输数据 通道和CPU共用内存,工作原理 CPU：执行用户程序，当遇到I/O请求时，可根据该请求生成通道程序放入内存（也可事先编好放入内存），并将该通道程序的首地址放入CAW中；之后执行“启动I/O”指令，启动通道工作。 通道：接收到“启动I/O”指令后，从CAW中取出通道程序的首地址，并根据首地址取出第一

19、条指令放入CCW中，同时向CPU发回答信号，使CPU可继续执行其他程序，而通道则开始执行通道程序，完成传输工作,（通道程序完成实际I/O，启动I/O设备，执行完毕后,如果还有下一条指令，则继续执行, 否则表示传输完成）,当通道传输完成最后一条指令时，向CPU发I/O中断，并且通道停止工作。CPU接收中断信号，从CSW中取得有关信息，决定下一步做什么,6.4 缓冲技术 1. 缓冲技术的引入 凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。 在操作系统中采用缓冲是为了实现数据的 I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率 缓冲技术 减少了I/O设备对处理器的中断请求

20、次数 简化了中断机制 节省了系统开销,2.缓冲区设置 硬缓冲： 在设备中设置缓冲区，由硬件实现 软缓冲： 在内存中开辟一个空间，用作缓冲区 3.缓冲区管理 缓冲区按使用方式有专用缓冲区和通用缓冲区。 单缓冲：在操作系统中设置一个缓冲区 双缓冲：在操作系统中为某一设备设置两个缓冲区 缓冲池：多个缓冲区连接起来统一管理，常采用多缓冲管理,6.4.5 CPU高速缓冲,在计算机中，为了减少CPU的等待时间，必须提高系统主存储器的响应速度 为此使用了高速缓存，用来存储CPU常用的代码和数据信息,1. 工作原理,基于程序访问的局部性 分析表明，在一个较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地

21、址空间的很小范围内 对数组的存储和访问以及工作单元的选择都可以使存储器地址相对集中 对局部范围的存储器地址频繁访问，而对此范围以外的地址则访问甚少的现象，就称为程序访问的局部性 高速缓冲存储器：根据程序的局部性原理，在主存和CPU通用寄存器之间设置一个高速的容量相对较小的存储器，把正在执行的指令地址附近的一部分指令或数据从主存调入这个存储器，供CPU在一段时间内使用。这对提高运行速度有很大的作用。,命中率： CPU在任一时刻从高速缓冲中可靠获取数据的几率 命中率越高，正确获取数据的可靠性就越大 高速缓冲空间与主存空间在一定范围内保持适当比例的映射关系，高速缓冲的命中率相当高 一般规定高速缓冲与

22、内存的空间比为4：1000 即128kB 高速缓冲可映射32MB内存 256kB 高速缓冲可映射64MB内存 在这种情况下，命中率都在90以上,2.高速缓冲的分级,典型的一级（L1）缓存系统的80的内存申请都发生在CPU内部 只有20的内存申请是与外部内存打交道 而这20的外部内存申请中的80又与二级（L3）缓存打交道 因此，只有4的内存申请定向到主存中,3.CPU高速缓冲的重要性,PC系统的发展趋势之一：CPU主频越做越高，系统架构越做越先进 而主存的结构和存取时间改进较慢。因此在PC系统中高速缓存越做越大。高速缓存已是评价和选购PC系统的一个重要指标 新一代的微处理器，已实现设计了L1高速

23、缓存，L2 高速缓存和在主板上的L3高速缓存 比如，在Intel Pentium III中， L1高速缓存为 32 KB，L2可从512 KB到1 MB。而AMD K6-III的L1为64KB，L2可达256KB，外部L3 高速缓存可达1 MB,新一代计算机出现，带来了总线技术的更新 1.总线的基本概念： 在计算机系统内各种子系统 如CPU、内存、I/O设备等之间 构建公用的信号或数据传输通道 这种可共享连接的传输通道称为总线,6.4.6 总线技术,总线的分类,CPU-内存总线,I/O总线,数据总线,地址总线,控制总线,（非本课程范围）,2. 总线的分类,微型计算机 总线的种类和发展,1394

24、总线,SCSI总线,3. USB技术 USB（Universal Serial Bus）通用串行总线，是一种连接I/O串行设备的技术标准 冲破了计算机技术发展的两个历史局限性： （1）由于I/O设备的接口标准的不一致和有限的接口数量已无法满足各种应用迫切需要 （2）传统的I/O设备的接口无法满足实时数据传输与多媒体应用的需求 USB以WDM（Windows Driver Model）模型为基础，WDM包含一套通用的I/O服务和二进制兼容的设备驱动程序,USB支持同步数据传输方式和异步数据传输方式，其数据传输率有低速15Mbps和全速12Mbps两种，比标准串口快100倍，比标准并口快10倍 U

25、SB可以主动为外部设备提供电源，允许外部设备快速连接，具有即插即用的功能 允许外部设备的热插拔,USB的结构,控制器：控制器主要负责执行由控制器驱动程序发出的命令 控制器驱动程序：控制器驱动程序在控制器与USB设备之间建立通信信道 USB芯片驱动程序：USB芯片驱动程序提供了对USB的支持 USB设备分为两类： （1）USB集线器：本身可再接其他USB外围设备 （2）USB设备：连接在计算机上用来完成特定功能并符合USB规范的I/O设备单元，如鼠标、键盘等,USB的传输方式,4种不同的数据传输方式： （1）等时传输方式 以固定的传输速率，连续不断传输数据，发生错误时，USB不处理，而是继续传送

26、新的数据。用于需要连续传输，且对数据的正确性要求不高而对时间极为敏感的外部设备，如麦克风、音箱以及电话等 （2）中断传输方式 该方式传送的数据量很小，但这些数据需要及时处理，以达到实时效果，此方式主要用在键盘、鼠标以及游戏手柄等外部设备上,（3）控制传输方式 处理主机的USB设备的数据传输，包括设备控制指令、设备状态查询及确认命令。当USB设备收到这些数据和命令后将按照先进先出的原则按队列方式处理到达的数据 （4）批传输方式 用来传输要求正确无误的数据。通常打印机、扫描仪和数码相机以这种方式与主机连接 除等时传输方式外，其他3种方式在数据传输发生错误时，都会试图重新发送数据以保证其准确性,US

27、B的传输方式,6.4.7 SCSI接口技术,小型计算机系统接口 （Small Computer System Interface）,一个SCSI I/O设备控制器 可将新型高速I/O设备增加到计算机系统中 SCSI 设备控制器的智能化I/O控制 降低了计算机系统的负担 使计算机系统具有更高的I/O能力,SCSI系统结构,6.4.8 即插即用技术(Plug and Play） 计算机系统I/O设备与部件配置的应用技术 顾名思义： 插入就可用，不需要进行任何设置操作,PnP技术的产生 由于一个系统可以配置多种外部设备，设备也经常变动和更换，它们都要占有一定的系统资源，彼此间在硬件和软件上可能会产生

28、冲突。因此在系统中要正确地对它们进行配置和资源匹配；当设备撤除、添置和进行系统升级时，配置过程往往是一个困难的过程,PnP技术的特点： （1）支持I/O设备及部件的自动配置，使用户能够简单方便地使用系统扩充设备 （2）减少由制造商装入的种种用户支持和限制，简化部件的硬件跳接设置，使I/O附加卡和部件不再具有人工跳接线设置电路,（3）在主机板和附加卡上保存系统资源的配置参数和分配状态，有利于系统对整个I/O资源的分配和控制 （4）支持和兼容各种操作系统平台，具有很强的扩展性和可移植性。 （5）在一定程度上具有“热插入”、“热拼接”技术,PnP技术的功能： （1）附加卡的识别与确认 （2）资源分配

29、 （3）附加卡自动配置,多方面的支持：具有PnP功能的操作系统、配置管理软件、软件安装程序、设备驱动程序等；网络设备的PnP支持；系统平台的支持（如：PnP主机板、控制芯片组和PnP BIOS等）；各种支持PnP规范的总线的I/O控制卡和部件,6.5 网络I/O设备,网络计算已成为计算机发展的方向之一 典型网络I/O设备网络打印 以往的打印模式 打印机连接到网上PC上，或连到文件服务器上，提供网络打印服务 新的网络打印 采用网络打印服务器技术，打印机直接上网 任何数据直接送到网络打印机输出,打印服务器还能实现多种网络自动切换：不同网络环境中的用户都可以直接向同一台打印机发送打印作业，打印服务器

30、会自动识别 较强的打印管理功能：可以管理网络打印驱动，而且容易安装和管理；可以实现远程登录访问，进行远程打印机管理 提高工作效率 分布式的环境设置：可以安装在网络的任何地方，这种打印服务方式，就显得更加灵活和满足需要 QoS更好,网络打印设备,6.6 设备处理 6.6.1 设备分配与回收 当某进程向系统提出I/O请求时，设备分配程序按一定策略分配设备、控制器和通道，形成一条数据传输通路，以供主机和设备间信息交换,* 设备独立性，即不能因为设备的忙碌、故障或更换而影响程序的运行, 向用户屏蔽物理设备, 呈现给用户的一个操作简单的逻辑设备,* 抽象的I/O 操作，即设计一类通用的I/O指令，它们的

31、含义对不同类型的设备作不同解释。而且，在操作系统中，提供了若干I/O系统调用。由系统将抽象的I/O 操作映射到专门的设备驱动程序,1. 数据结构： 设备控制块UCB（设备控制表DCT） 控制器控制块CUCB （控制器控制表CUCT） 通道控制块CHCB （通道控制表CHCT） 系统设备表SDT,1）系统设备表SDT 整个系统一张表，记录系统中所有I/O设备的信息，表目包括： 设备类型、设备标识符、进程标识符、DCT表指针等,2）设备控制表DCT 主要内容：设备类型、设备标识符、设备状态、与此设备相连的CUCT、重复执行的次数或时间、等待队列的队首和队尾指针、I/O程序地址 CUCT、CHCT与

32、DCT类似,根据用户请求的I/O设备的逻辑名，查找逻辑设备和物理设备的映射表；以物理设备为索引，查找SDT，找到该设备所连接的DCT；继续查找与该设备连接的CUCT和CHCT，就找到了一条通路,2.设备分配策略 由于在多道程序系统中，进程数多于资源数，引起资源的竞争。因此，要有一套合理的分配原则 考虑的因素： * I/O设备的固有属性 * I/O设备的分配算法 * 设备分配的安全性 * 与设备的无关性,1) 独占设备的分配 要考虑充分发挥效率，避免由于不合理的分配策略造成死锁 静态分配：在进程运行前, 完成设备分配；运行结束时，收回设备 缺点：设备利用率低,动态分配： 在进程运行过程中，当用户

33、提出设备要求时，进行分配，一旦停止使用立即收回 优点：效率好 缺点：分配策略不好时, 产生死锁,2) 共享设备分配 由于同时有多个进程同时访问，且访问频繁，就会影响整个设备使用效率，影响系统效率。因此要考虑多个访问请求到达时服务的顺序，使平均服务时间越短越好,6.6.2 设备驱动程序 为了控制I/O传输，系统为每类设备编制设备驱动程序 任务：主要负责接收和分析从设备分配转来的信息，并根据设备分配的结果，结合具体物理设备特性完成以下具体工作,(1) 预置设备的初始状态 (2) 根据请求传输的数据量，组织I/O缓冲队列，利用I/O缓冲对数据进行加工，包括数据格式处理和编码转换 (3) 构造I/O程

34、序（在有通道系统中，是通道程序） (4) 启动设备进行I/O操作,6.6.3 I/O中断处理程序 处理来自设备或通道的中断 6.6.4 一种实现方案：I/O进程 I/O进程：专门处理系统中的I/O请求和I/O中断工作 不同操作系统处理I/O事务所采用的形式不同，主要有三种处理方式：,(1) 每类设备一个I/O进程 (2) 整个系统一个I/O进程 (3) 为各类设备设置相应的设备处理程序供外部调用,1.I/O请求的进入 用户程序：调用send将I/O请求发送给I/O进程；调用block将自己阻塞，直到I/O任务完成后被唤醒 系统：利用wakeup唤醒I/O进程，完成用户所要求的I/O处理 2.I

35、/O中断的进入 当I/O中断发生时，内核中的中断处理程序发一条消息给I/O进程，由I/O进程负责判断并处理中断,3.I/O进程 是系统进程，一般赋予最高优先级。一旦被唤醒，它可以很快抢占处理机投入运行 I/O进程开始运行后，首先关闭中断，然后用receive去接收消息。两种情形：,(1) 没有消息，则开中断，将自己阻塞； (2) 有消息，则判断消息（I/O请求或I/O中断）； a.I/O请求 准备通道程序，发出启动I/O指令，继续判断有无消息 b.I/O中断，进一步判断正常或异常结束 正常：唤醒要求进行I/O操作的进程 异常：转入相应的错误处理程序,为进程P分配所需的I/O设备,从SDT表查该

36、类设备的控制表DCT,由DCT检查该设备忙否?,不忙,检查分配此设备的安全性?,不安全,分配此设备给进程P,查此设备连接的COCT忙否?,不忙,不忙,分配此控制器给进程P,查此控制器连接的CHCT忙否?,最后一个DCT?,分配此通道给进程P,启动I/O,进行具体的I/O操作,忙,进程P的PCB放入 此设备的等待队列,Y,N,忙,最后一个COCT?,最后一个DCT?,进程 P 的 PCB 放入 此控制器的等待队列,Y,N,Y,忙,最后一个CHCT?,Y,最后一个COCT?,进程 P 的 PCB 放入 此通道的等待队列,N,Y,N,N,多通路设备分配流程示意图,管理程序,保护现场 组织通道程序 保

37、存通道程序 的始址于CAW 启动I/O指令 分析条件码 启动成功使 P阻塞, 另选 程序q运行 保护程序q的 现场 分析中断原因 处理I/O中断 选择可运行程序,请求 启动程序,程序q,程序P,用户程序,判断状态 执行通道程序 控制I/O设备 操作,执行情 况记录在CSW 出现中断事件 CSW=主存通 道号, 设备号 送特定寄存器,通道程序,执行规定 的操作,设备控制器和设备,1,2,3,4,5,6,I/O的操作全过程,6.6 磁盘存取设备管理 6.6.1 磁盘性能简述,1. 磁盘的特点和结构: 容量大, 断电后仍可保存信息, 存取速度较块, 成本较低,可实现直接(随机)存取, 存取磁盘上任一

38、物理块的时间不依赖于该物理块所处的位置。 磁盘设备由两部分组成: 驱动部分+存储介质(磁盘) 磁盘以恒定转速旋转, 磁臂沿径向驱动磁头移动到所要求的磁道上, 并等待所要求的扇区开始位置旋转到磁头下, 开始读写数据, 在磁头和缓冲区间传输数据。,2. 磁盘访问时间(Ta),寻道时间Ts 旋转周期Tr 传输时间Tt 从磁盘到读写一个扇区的数据传输时间: Tt= Tr/N (其中N为一条磁道总扇区数) 总访问时间:Ta= Ts + Tr/2 + Tr/N主要与Ts有关,6.6.2 磁盘调度,当多个进程都需要访问磁盘时, 访盘请求在等待, 应采用一定的策略, 对这些请求的服务顺序调整安排,旨在降低平均

39、磁盘服务时间, 达到公平、高效。 磁盘调度考虑的问题：移臂调度和旋转调度 显然应先进行移臂调度再进行旋转调度。 旋转调度: 同一磁道的各扇区按扇区号顺序访问 主要考虑 移臂调度算法减少寻道时间:,1. 先来先服务FCFS(First-Come First Served) 按访问请求到达的先后次序服务 优点：简单, 公平； 缺点：效率低, 相临两次请求可能会造成最内到最外的柱面寻道, 使磁头反复移动, 增加了平均寻道时间 设磁盘访问序列: 80, 55, 58, 39, 18, 90,160,150, 38,184,2. 最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First) 优先选择距当前磁头最近的访问请求进行服务。 优点:当前服务寻道时间最小(平均寻道时间较小) 缺点:进程饥饿现象, 有时会造成与当前磁道距离远的访问请求长期等待得不到服务(不公平) 磁盘访问序列: 80, 55, 58, 39, 18, 90,160,150, 38,184,SSTF的平均寻道时间未必最小,3. 扫描算法SCAN电梯调度算法 克服最