设备管理培训教材(PPT 62页).ppt

1、第五章 设备管理,概 述 1）设备管理的基本任务 完成用户提出的I/O请求，实施具体的I/O操作 提高I/O的速度、设备的利用率及设备与CPU的并行工作能力 2）设备管理的主要功能 设备的分配、回收与管理 设备的处理（I/O控制、驱动与中断处理） 缓冲区的管理 设备的独立性与虚拟设备的实现,5.1 I/O系统 I/O系统：计算机系统中负责数据I/O及存储的子系统 1）I/O设备类型 作用方面划分：I/O型、存储型 使用属性划分：独占、共享、虚拟 传输速率划分：低速、中速、高速 信息交换单位划分：字符设备、块设备,2）I/O系统组成 一般包括I/O设备、控制器、接口及线路、设备驱动、控制和管理的

2、相关程序，有的大中型机中还有通道。 控制器 相关概念：连接CPU（内存）与I/O设备，用于控制设备工作，实现I/O设备与计算机之间的数据交换的硬件装置。 控制器的功能： 接收、识别由CPU发来的命令 进行数据传递与交换 设备状态的检查，设备地址的识别，数据缓冲，差错控制,通 道 定义： 能独立于CPU执行通道程序向控制器发命令的 装置特殊的处理机 通道的功能： 执行简单的I/O指令（与CPU并行工作） 直接访问内存，进行内存与I/O设备间的数据传送 替代CPU，通过执行通道程序对设备进行控制 通道的类型： 字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道,总线结构示意图,3) I/O系统体系结构 微机

3、系统：总线结构 大型机系统：通道结构,5.2 I/O控制方式 程序I/O方式 中断驱动I/O方式（一般中断方式） DMA I/O方式（DMA控制器控制方式） 通道I/O控制方式（采用I/O通道实施控制）,1）程序I/O方式 工作过程 CPU发一条I/O指令给控制器，启动设备工作 CPU不断测试设备的工作状态直至设备完成工作 CPU发下一条I/O指令，再次启动设备工作 特点 CPU等待设备完成工作，CPU效率很低,2）中断驱动I/O方式 中断机构设备自动产生中断信息，并由CPU进行响应和处理 工作过程 CPU发出I/O指令给控制器启动设备工作 其后CPU不再等待设备完成，而是返回执行其他程序 待

4、设备完成时产生中断信号，CPU才去响应处理 特点 CPU与设备间断并行工作，但设备每传送一个数据（通常为字节或字），CPU则要响应处理中断一次，效率仍不是太高,3）DMA I/O控制方式 DMA控制器的组成,工作过程 CPU发I/O指令给DMA控制器(进行相应设置)，启动设备工作 其后CPU返回执行其他程序 待DMA控制设备将一组数据传送完毕产生中断后，CPU才去干预处理 特点,CPU与设备间断并行，CPU效率较高,4）通道I/O控制方式 工作过程 CPU向通道发命令，启动通道工作，CPU返回继续执行 通道执行事先组织好的通道程序，启动设备进行数据传送 待通道程序执行完毕，产生通道中断，CPU

5、才响应处理 特点,CPU与通道、设备完全并行工作，CPU效率高,5）四种方式比较,5.3 缓冲技术和缓冲管理 缓冲的引入 缓冲的实现 缓冲区类型 缓冲池管理,1）缓冲的引入 在操作系统中，引入缓冲的主要原因，可归结为以下几点： 缓和CPU与IO设备间速度不匹配的矛盾 减少对CPU的中断频率,放宽对中断响应时间的限制 提高CPU和IO设备之间的并行性 注：凡数据到达率与离去率不一致的场合，均可采用缓冲加以解决,2）缓冲的实现 硬缓冲：在设备中设置缓冲区（通常是一组寄 存器）由硬件实现 软缓冲：在内存中开辟一个空间用作缓冲区 3）缓冲的类型 专用缓冲区：单缓冲、双缓冲、多缓冲 公用缓冲区：缓冲区的

6、集合(缓冲池) 注：分配的缓冲区个数愈多，缓冲效果愈好,4）各种缓冲及其管理 单缓冲主机（内存）I/O设备 双缓冲数据（设备）,缓冲区,缓冲区2,缓冲区1,内存（主机）, 缓冲区的数据存取操作可并行,缓冲区的数据存取操作是串行的,循环多缓冲,变量含义 G 装满数据的缓冲区 R 空缓冲区 C 当前工作的缓冲区 Nexti 指向下一个可用空缓冲区指针 Nextg 指向下一个满缓冲区指针 Current 正在使用的缓冲区的指针,循环缓冲区的使用过程及同步 注：只要Nextg不赶上Nexti，都可从满缓冲区中取数据 只要Nexti不赶上Nextg，都可向空缓冲区中送数据,缓冲池及其管理 缓冲池：公用缓

7、冲区的集合 组成：空缓冲区队列（供分配的空缓冲区组成） 输入缓冲区队列（装满输入数据的满缓冲区组成） 输出缓冲区队列（装满输出数据的满缓冲区组成） 工作方式（四种） 收容输入：从输入设备输入数据到空缓冲区 提取输入：从输入缓冲区中提取数据到内存工作区 收容输出：从内存向空缓冲区中送数据 提取输出：从输出缓冲区中提取数据到输出设备输出,缓冲池工作原理,5.4 I/O软件,总体设计目标：高效性和通用性 基本思想：I/O软件按分层的思想构成，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。,1）I/O软件的层次结构,各层任务如下： 用户层

8、软件：实现与用户交互的接口，用户可执行I/O系统调用 设备独立性软件：负责实现适用于所有设备的功用操作，并向用户层提供一个统一的接口 设备驱动程序：与硬件直接相关，负责具体实施对设备发出操作指令驱动I/O设备工作 中断处理程序：I/O中断发出后执行相应的程序进行I/O的善后处理，并在处理完成后返回被中断进程 硬件层：实现物理IO的操作,中断处理程序,设备驱动程序 主要功能 接收上层软件（比如I/O进程）发来的命令和参数，并将其转换成具体的操作要求 向控制器发I/O指令，启动设备工作，并进行中断响应和处理 在有通道的I/O系统中，生成通道程序 设备处理的方式 为每类设备设置一个驱动进程 整个系统

9、设置一个驱动进程 不设置进程，仅设置相应驱动程序供调用 无论何种处理方式，都必须有一组相应的驱动程序,驱动程序特点 I/O请求与设备控制器之间的通信和转换程序 与设备控制器和I/O设备硬件特性相关 与采用的I/O控制方式相关 其中部分必须是汇编语言实现 设备驱动的处理过程 转换上层软件的抽象要求为具体操作要求 对I/O请求进行合法性检查 对控制器、设备的工作状态进行检测 向控制器传送参数和命令，启动设备工作,设备独立性软件 设备独立性： 概念：应用程序独立于物理设备即与具体设备无关 好处：增加了设备分配的灵活性；利于设备的更新（I/O重定向） 实现：应用程序采用逻辑设备名请求使用某类设备，实际

10、执行时使用物理设备名称。系统通过逻辑设备表(LUT)为之实现逻辑设备到物理设备的转换。,设备独立性软件 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。其中所有设备共有的操作包括： 独占设备的分配和释放 逻辑设备名到物理设备名的映射 设备保护 提供与设备无关的逻辑块 缓冲管理 差错控制,5.5 设备分配 设备分配程序按照一定的策略把设备分配给I/O请求用户以解决资源的无序竞争问题，确保设备安全，正确地共享使用。 1）设备分配的相关数据结构 设备控制表 DCT 控制器控制表 COCT 通道控制表 CHCT 系统设备表 SDT,设备控制表（DCT）每个设备一张，描述设备特性

11、和状态。反映设备特性、设备和控制器的连接情况。,控制器控制（COCT） 通道控制表（CHCT） 系统设备表（SDT） 系统内一张，反映系统中设备资源的状态，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口,各表间的关系示意图,2）设备分配应考虑的相关因素 设备的使用属性 设备分配的策略（算法） 设备分配的安全性 设备的独立性（无关性）,设备使用属性 独占设备： 共享设备： 虚拟设备：,一次只能分配给一个用户（进程）使用,可同时分配给多个进程使用（比如磁盘）,逻辑上可同时分配给多个进程，物理上仍是一个进程一个进程依次使用,设备分配算法 先请求先服务 优先级高者优先 设备分配的安全性 安全分配方式：进程请求

12、I/O后，立即被阻塞（不会 产生新的请求） 不安全分配方式：进程请求I/O后不阻塞，会产生新 的请求 设备独立性（即设备无关性） 用户程序中所使用的设备(逻辑设备)与系统配置的实际物理设备无关。,3）独占设备分配流程,图1：独占设备（单通路）分配流程,5.6 Spooling技术与虚拟设备 1）问题的提出与解决 问题提出独占设备一旦被某进程占用，即使占用期间设备闲置，其他请求者必须长期等待，导致进程推进速度放慢，系统效率降低 解决办法 采用脱机I/O，需增加外围机，且是脱机操作 利用Spooling技术，进行假脱机I/O操作,Spooling工作原理利用可并发执行的输入和输出进程，在联机的状态

13、下，模拟实施脱机I/O操作：预输入和缓输出 称实现假脱机操作的系统为Spooling系统,2）Spooling系统的设计与实现 1 输入井和输出井：在磁盘上。 2 输入缓冲区和输出缓冲区：在内存。 3 输入进程和输出进程：守护（daemon）进程,3）工作过程举例（以请求打印机为例） 多个进程同时请求打印机，由Spooling系统响应 根据请求，为用户进程分配磁盘输出井空间，将输出（打印）数据快速写到输出井中（暂存） 建立“用户请求打印表”，填入相关请求数据 将请求打印表插入请求打印队列 待打印机空闲时，若请求打印队列不空，则唤醒输出进程，待其调度执行时，根据请求打印表信息从输出井读入数据送内

14、存缓冲区，再由打印机输出，直至输出完毕 重复上一操作，直至请求打印队列空为止（可阻塞输出进程）,4）Spooling系统的作用与特征 提高了I/O的速度，同时也提高了进程的推进速度 将独占设备改造为逻辑上可共享的设备 实现了虚拟设备的功能（一名独占设备被逻辑扩充为 多台）,设备管理归纳,提高磁盘的存取访问速度,5.7 磁盘存储器管理 磁盘存储器：外部存储器或辅助存储器（重要的设备） 特点：可长期保存程序和数据，容量大 缺点：存取访问速度较低（比内存低46数量级） 磁盘管理的目标 改善磁盘系统的性能，提高存取（访问）速度,1）磁盘存储器简介 磁盘类型：硬盘和软盘 移动头和固定头磁盘 结构 每个盘

15、面有若干磁道 每个磁道划分成若干扇区 每个磁道某扇区对应的弧被称为一个盘块,移动头磁盘的访问时间 寻道时间Ts 旋转延迟时间Tr 数据读/写时间Tt 要提高磁盘数据的存取速度，必须尽可能较少寻道时间,2）磁盘调度 选择磁盘访问的寻道次序，不同的次序形成不同的磁盘调度算法，希望选用的调度算法使得平均寻道的时间为最少。常用的磁盘调度算法有： 先来先服务算法 最短寻道时间优先 扫描法（来回双向） 循环扫描法（单向）,磁盘I/O执行顺序为磁盘I/O请求的先后顺序。,磁头需要移动640个柱面，平均寻道长度80,先来先服务（FCFS）,选择从当前磁头位置出发，移动最少的磁盘I/O请求。该算法的目标是使每次

16、磁头移动时间最少。,最短寻道时间优先 SSTF,磁头需要移动236个柱面，平均寻道长度29.5,扫描(SCAN)算法： 选择在磁头前进方向上从当前位置移动最少的磁盘I/O请求执行，没有前进方向上的请求时才改变方向。故又称电梯调度算法,磁头总共移动了236/208个柱面的距离,循环扫描算法CSCAN CSCAN算法规定磁头只能单向运动（如自里向外），当磁头运动到最外面的被访问磁道时，磁头立即返回到最里面的欲访的磁道，即将最小磁道号紧接着最大磁道号构成循环，进行扫描。,磁头总共移动了322个柱面的距离,例：某时刻多个进程请求访问磁盘的磁道序列为 55, 58, 39, 18, 90, 160, 1

17、50, 38, 184 假定当前磁头位置位于100道且由外向里移动,先来先服务的寻道次序为：,55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,平均寻道长度为：,498/9=55.3道,4. 循环扫描法的平均寻道长度为 322/9=35.8道,2.最短寻道时间优先的寻道次序为:,90, 58, 55, 39, 38, 18, 150, 160, 184,平均寻道长度：,248/9=27.5道,3.扫描法的寻道次序为：,150, 160, 184, 90, 58, 55, 39, 38, 18,平均寻道长度：,250/9=27.8道,3）磁盘高速缓存 策略： 内存设置磁

18、盘缓冲区，以降低读/写磁盘的次数， 从而提高磁盘的访问速度,数据逻辑上属于磁盘，物理上存在于内存 （内存映象）,实现：缓冲区采用缓冲池结构，每个缓冲区的大小与对 应磁盘盘块大小相一致,磁盘操作 读磁盘：先查看内存缓冲区,若盘块数据在缓冲区中则直 接存取 ,只有当盘块数据不在缓冲区时，才去读磁盘 写磁盘：先将数据写到对应缓冲区中，再以异步方式从 缓冲区写到磁盘,本章小结 1）设备管理的基本任务 完成I/O操作 提高I/O速度及并行工作能力 2）设备管理的主要功能 设备的分配、回收与管理 设备控制、驱动与中断处理 缓冲的实现与管理 虚拟设备的实现,3）相关概念与术语 I/O系统（设备、控制器、通道） I/O控制方式（程序测试、中断、DMA、通道） 缓冲区，缓冲池 有关数据结构（SDT, DCT, COCT, CHCT） 逻辑设备与物理设备