计算机操作系统--设备管理课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,演示文档,路漫漫其悠远,2024/8/9,计算机操作系统-设备管理,第一节 输入输出系统,I/O设备,设备控制器,I/O通道,总线系统,I/O设备,I/O设备的类型,按传输速率分类：低速、中速、高速设备,按信息交换单位分类：块、字符设备,按设备的共享属性：独占、共享、虚拟设备,设备与控制器之间的接口,接口芯片、接口（电路）板（卡）,信号线：数据、控制、状态信号线,设备控制器,基本功能,接收和识别来自CPU的各种命令,实现CPU与设备控制器、设备控制器与设备之间的数据交换,记录设备的状态供CPU查询,识别所控制的各个设备的地址,组成,设备控制器与处理机的接口,设备控制器与设备的接口,I/O逻辑,设备控制器,地址识别,数据缓冲,差错控制,CPU与控制器接口控制器与设备接口,数据线,地址线,控制线,数据寄存器,控制/状态,寄存器,I/O,逻辑,控制器,与设备,接口1,控制器,与设备,接口n,数据,状态,控制,数据,状态,控制,I/O通道,通道的引入,建立独立的I/O操作，进一步减轻CPU的负担,I/O,处理机,，通过执行通道程序来控制I/O操作,与一般处理的区别,1）指令类型单一，主要局限于与I/O操作相关的指令,2）通道程序放在内存，即与CPU共享内存空间。,通道的类型,字节多路通道：,多路分时复用,一个主通道，多个子通道，子通道按时间片轮转法使用主通道，信息按字节传输,数组选择通道：,只有一个子通道，由某台设备独占，,数据成组（块）传送；,数组多路通道：,多个子通道，按数组方式传送数据,具有较高的数据 传输速率和通道利用率,“瓶颈”问题,通道资源有限，系统需要同时启动的设备可能较多；,解决方法：,增加设备到主机间的通路。,I/O通道,存储器,通道1,通道2,控制器1,控制器2,I/O设备1,I/O设备2,I/O设备3,I/O设备4,CPU,总线系统,系统总线,连接CPU、存储器、I/O设备（接口）等的纽带；,总线的性能评价：时钟频率、带宽、传输速率。,ISA和EISA总线,ISA（Industry Standard Architecture），1984年，带宽：,8位,16位，最高传输速率：216Mbps，能连接12台设备。,EISA（Extended ISA），1989年，带宽：,32位,，最高传输速率：32Mbps，能连接12台设备。,局部总线（,Local Bus）,将多媒体卡、高速LAN网卡、高性能图形板等从ISA总线上卸下来，在通过局部总线控制器直接接到CPU总线上，使之与高速CPU总线相匹配。,VESA（Video Electronic Standard Association），1991年，带宽：,32位,，最高传输速率：132Mbps，能连接24台设备，控制器中无缓冲；,PCI（Peripheral Component Interface），1992年和1995年，V2.1支持带宽：,64位,，最高传输速率：500Mbps，能支持,10种,外设，有一个复杂的管理层，管理层中配有数据缓冲。,第二节 输入输出控制方式,程序I/O方式,中断驱动I/O方式,DMA控制方式,I/O通道控制方式,将CPU从繁忙的I/O操作中解脱出来,程序I/O方式,忙等待方式,CPU向控制器发指令，启动I/O设备，同时把状态寄存器中的状态标志置1，,busy=1,；,然后,不断地循环检测,状态标志。,如果busy=1，说明I/O设备忙，CPU再进行下一轮检测；,如果busy=0，说明I/O操作结束，CPU执行下一条指令。,中断驱动I/O方式,中断I/O驱动过程,启动：由CPU根据进程的I/O请求发出一条I/O命令；此后CPU继续执行其它进程，即,CPU与外设并行工作,。,I/O设备完成操作后，由控制器通过控制线向CPU发送一中断信号，由CPU检查I/O操作是否正确，,中断驱动方式带来的优缺点,管理灵活、简单，系统效率高（CPU、I/O设备）。,设备与CPU（内存）之间的数据交换仍,以字（节）为单位,。,DMA控制方式,DMA（Direct Memory Access）引入,在外围设备和内存之间开辟直接的数据交换通路。在该种控制方式中，设备控制器具有更强的功能，在它的控制下，设备和内存之间可以成批地进行数据交换，不用CPU的干预。,减轻了CPU的负担，同时数据传输以块为单位，提高了数据传送速度。,DMA控制器的组成,命令/状态寄存器CR,内存地址寄存器MAR,数据寄存器DR,数据计数器DC,DMA工作过程,（以磁盘数据读入为例）,CPU向磁盘控制器发送一条读命令,到CR中，目标起始地址到MAR中，数据字节数到DC中，磁盘中的源地址到控制器的控制逻辑上；,启动DMA,控制器进行数据传送（窃用总线周期），此后，CPU可以执行其它任务；,DMA控制器按照命令,每传送一个字节,，修改并检查,DC,和,MAR,中的数值（分别做,-1,和,+1,操作）；,若DC中的值不为0，则继续传送下一个字节,；为0，则发出一个中断请求。,DMA与中断控制方式的区别,中断控制方式在每个数据传送完后都发中断,DMA是在所要求传送的一批数据都传送完后才发中断,I/O通道控制方式,I/O通道控制方式的引入,进一步减少CPU对I/O操作的干预；,以,多个数据块,为单位进行数据传送；,一次传送多组数据到多个不同的内存区域。,通道程序,由一系列通道指令（通道命令）构成；,每条指令都包含：,操作码、内存地址、计数、通道程序结束位P、记录结束标志R,操作,P,R,计数,内存地址,Write,0,0,80,813,Write,0,0,140,1034,Write,0,1,60,5830,Write,0,1,300,2000,Write,0,0,250,1650,Write,1,1,500,2720,通道程序实例,第三节 缓冲管理,缓冲的引入,单缓冲和双缓冲,循环缓冲,缓冲池,解决CPU和I/O设备速度不匹配的矛盾,缓冲的引入,缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾,减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制,提高CPU与I/O设备之间的并行性,单缓冲和双缓冲,单缓冲,双缓冲（生产者-消费者）,用户进程,工作区,缓冲区,I/O设备,输入,传送,用户进程,工作区,缓冲区2,I/O设备,缓冲区1,循环缓冲（输入-计算）,循环缓冲的引入,同步进程速度不一致；,双缓冲无法完全解决。,循环缓冲的组成,多个缓冲区、多个指针,循环缓冲的使用,GetBuf(),ReleaseBuf(),R,G,G,G,R,C,空缓冲区,满缓冲区,工作缓冲区,缓冲池,缓冲池的引入,把专用循环缓冲变为,公用,缓冲区，以提高内存利用率。,缓冲池的组成（每个队列配备两个指针）,空闲缓冲（区）队列emq、F(emq)、L(emq),输入缓冲（区）队列inq、F(inq)、L(inq),输出缓冲（区）队列outq、F(outq)、L(outq),缓冲区的四种工作方式,收容输入：收容输入设备的输入数据,提取输入：,计算进程提取缓冲区中的数据使用,收容输出：计算进程输出结果数据到缓冲区,提取输出：输出设备提取缓冲区中的数据,缓 冲 池,收容输入 提取输入,提取输出,收容输出,hin,sin,sout,hout,用,户,程,序,输入设备,输出设备,第四节 I/O软件,设备独立性软件,设备驱动程序,一 设备独立性,设备独立性的概念（设备无关性）,应用程序独立于具体使用的物理设备,。,带来的好处,设备分配时的灵活性,易于实现I/O重定向：可以更换I/O操作的设备而不改程序。,设备独立性软件,位于驱动程序之上，驱动程序与设备有关。,主要功能：,执行所有设备的公有操作,：分配与回收、逻辑名到物理设备的映射、设备的保护、缓冲管理、差错控制等,向用户层（或文件层）软件提供统一接口,逻辑设备名到物理设备名映射的实现,逻辑设备表,（Logical Unit Table）,用于将应用程序所使用的逻辑设备名映射为物理设备名。,表项：逻辑设备名、物理设备名、设备驱动程序入口地址等,LUT的设置问题,整个系统一张LUT，逻辑设备名要具有唯一性。,为每个用户设置一张LUT，并将该表放入PCB中；与系统设备表联合作用。,二 设备处理（驱动）,接收上层软件发来的抽象要求，比如：Read、Write等命令，再把它们转化为具体要求发送给设备控制器，启动设备执行；同时，还负责把设备控制器发来的信号传送给上层软件。,设备驱动程序的功能和特点,设备驱动程序的处理过程,中断处理程序的处理过程,设备驱动程序的功能和特点,设备驱动程序的功能,接收由I/O进程发来的命令和参数，转换为具体要求；,检查用户I/O请求的合法性，了解设备状态，传递或设置参数；,发出I/O命令，启动设备，或挂在相应的设备队列上；,及时响应由控制器或通道发来的中断请求；,对于设有通道的计算机系统，根据I/O请求自动构成通道程序。,设备驱动程序的特点,是指在请求I/O的进程与设备控制器之间的一个,通信和转换程序,。,与,设备控制器和I/O设备的,硬件特性紧密相关,，因而对不同类型的设备应配置不同的驱动程序。,与I/O设备所采用的,I/O控制方式,紧密相关。,其中一部分必须用,汇编语言,书写。,设备驱动程序的处理过程,将抽象要求转化为具体要求,检查I/O请求合法性,读出和检查设备的状态,传送必要的参数,工作方式的设置,启动I/O设备,第五节 设备分配,设备分配中的数据结构,设备分配时应考虑的因素,独占设备的分配程序,SPOOLing技术,设备分配中的数据结构,设备控制表DCT,一台设备配置一张设备控制表，用于记录,设备状态,；,包含的字段：,设备类型 type,设备标识符 device id,设备状态：,设备或与其相连的控制器/通道忙，状态为“1”；,设备队列队首指针：,指向等待此设备的阻塞进程队列；,与设备连接的控制器的控制表指针：,多条通路则对应多个指针；,重复执行次数或时间：,允许通信重试的次数或延迟时间。,控制器控制表COCT,表项字段：控制器标识符、控制器状态、与控制器相连的通道表指针、控制器队列的队首指针、控制器队列的队尾指针。,通道控制表CHCT,表项字段：通道标识符、通道状态、与通道连接的控制器表首址、通道队列的队首指针、通道队列的队尾指针。,系统设备表SDT,记录系统中全部设备的状况,；,表项字段：设备类型、设备标识符、设备控制表、设备驱动程序的入口地址等。,设备分配时应考虑的因素,设备的固有属性,独占设备,共享设备,虚拟设备,设备分配算法,先来先服务,按优先级,设备分配中的安全性,安全分配方式,进程发出I/O请求并得到响应后，就进入阻塞状态，一直等待I/O完成。,特点：进程进展缓慢，但不会产生死锁,不安全分配方式,进程在发出I/O请求后继续运行，需要时再发出其它的I/O请求，直至申请不到I/O设备而被迫阻塞。,特点：进程进展迅速，但可能发生死锁,方法：设备分配前，必须进行安全性检查,独占设备的分配程序,基本的设备分配程序,分配设备：按照I/O请求的物理设备名，查找,SDT,DCT/设备状态字,。若忙，阻塞；否则，分析安全性，安全，则分配；否则，阻塞。,分配控制器：,再查DCT,COCT/状态字,，控制器忙？阻塞；否则，分配该控制器给进程。,分配通道：,再查COCT,CHCT/状态字,，通道忙？阻塞；否则，分配通道给进程。,以上三者分配均成功，才算设备分配成功。,设备分配程序的改进,原因：,以物理设备名提出I/O请求，单通路的I/O结构，容易产生“瓶颈”现象。,增加设备的独立性：,使用逻辑设备名请求I/O，依次查同类设备的DCT，仅当该类设备都忙时，才把进程挂在该类设备的等待队列上；如果有设备可用，继续分析安全性,考虑多通路情况：得到设备后，依次检查与此设备相连的各个控制器，直到找到一个可用的为止；然后，依次检查与此控制器相连的各个通道，直到确定一个可用的通道位置；,否则，需要阻塞进程,。,SPOOLing技术,什么是SPOOLing,即联机情况下的同时外围操作，称为“,假脱机操作,”，“后台”工作方式。（Simultaneaus Periphernal Operating On-Line）,利用SPOOLing技术，可将,一台物理I/O设备虚拟为多台逻辑设备,，从而允许多个用户共享使用一台物理设备；即利用高速的共享设备（磁盘）实现低速独占设备的共享使用的技术。,SPOOLing系统的组成,输入井和输出井,输入缓冲区和输出缓冲区,输入进程Sp,i,和输出进程Sp,o,：,SPOOLing系统的组成,输入进程SPi,输出进程SPo,输入缓冲区Bi,输出缓冲区Bo,输入,设备,输出,设备,磁盘,输入井,输出井,共享打印机,SPOOLing系统接收到用户进程的打印输出请求后：,由,输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区,，并将要打印的数据送入其中；,输出进程再为用户进程申请一张空白的用户请求打印表,，并将用户的打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。,当打印机空闲时，输出进程将从请求打印队列的队首取出一张请求打印表，再从输出井把数据送到内存缓冲区，启动打印机打印输出，,SPOOLing系统的特点,提高了I/O的速度,，缓和了CPU与I/O设的速度矛盾；,将独占设备改造为共享设备：,利用高速共享设备；,实现了虚拟设备功能,：用户都感到独占了一台设备。,第六节 磁盘存储管理,磁盘性能简述,磁盘调度,磁盘高速缓存,提高磁盘I/O速度的其它方法,廉价磁盘冗余阵列,磁盘性能简述,数据的组织和格式,盘片和盘面，磁道（磁头），扇区,格式化：标识符字段、数据字段,磁盘的类型,固定头磁盘,移动头磁盘,磁盘的类型,1）,固定头磁盘,每条磁道上有一个读/写头，所有的磁头被装在一刚性磁臂中。,2）,移动头磁盘,每个盘面配一个磁头，也装在磁臂上。为了能访问所有磁道，必须能够移动进行寻道。,磁盘访问时间,寻道时间T,s,把磁臂（磁头）移动到指定磁道上所经历的时间，包含启动磁臂和磁头移动n条磁道所花费的时间。,旋转延迟时间T,指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。与盘面的旋转速度有关。,5400转-5.55ms；7200转4.16ms,传输时间T,t,把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。与旋转速度和一次读写的数据量有关。,磁盘调度,先来先服务FCFS,最短寻道时间优先SSTF,扫描（Scan）算法,循环扫描（CScan）算法,*N-Step-Scan和FSCAN算法,先来先服务FCFS,根据进程请求访问磁盘的,先后次序,进行调度。,优点：,公平、简单；,缺点：,未对寻道次序进行优化，,平均寻道时间可能较长,，仅适用于磁盘请求较少的场合。,最短寻道时间优先（SSTF）,选择,要求访问的磁道与当前磁头所在的磁道距离最近的进程,（磁盘请求），使每次的寻道时间最短。,该算法,不能保证平均寻道时间最短,。,可能导致“饥饿”现象。,扫描（Scan）算法,磁头,每次只作单方向移动,，直到到达边缘磁道为止，然后,再作反向移动,。,下一次待访问的磁道只能在此头移动的前方，且选择磁头移动距离最近的一个磁盘请求响应。,又称为“,电梯调度算法,”。,消除了饥饿现象。,循环扫描（CScan）算法,磁头只作由内向外的单方向扫描,，到达外边缘后，则返回最内侧的磁道重新进行下一轮扫描。,改进了对于边缘区磁道访问的不公平。,N-Step-Scan,和,FSCAN,算法,“磁臂粘着”现象：,一个或几个进程对某一磁道有较高的访问频率时，造成磁头的“不移动”现象。,N步扫描：,把磁盘访问请求排成长度为N的多个队列。系统在处理完一个磁盘请求队列的工作后，再响应其它队列的请求。,FSCAN算法：,对N步扫描的简化。只排两个队列：当前队列、等待队列。,磁盘高速缓存,磁盘高速缓存（Disk Cache）的形式,数据交付方式,磁盘缓存置换算法,周期性地写回磁盘,磁盘高速缓存的形式,Disk Cache：,并非通常意义上的高速缓存，而是,利用内存中的空闲空间，暂存从磁盘中读出的一系列盘块中的信息,。逻辑上属于磁盘，物理上驻留内存的磁盘数据块区。,两种形式：,固定大小,的磁盘高速缓存，不受应用程序多少影响。,可变大小,的磁盘高速缓存“缓冲池”形式,数据交付方式,Data Delivery：将磁盘高速缓存中的数据传送给请求者进程。,两种方式：,数据交付,：将数据传送给请求者进程的内存工作区中；,指针交付,：只将高速缓存中相应数据区的首址指针交付给请求者进程；,磁盘缓存置换算法,也称为“访问频率替换算法”,要考虑的问题：访问频率、可预见性、数据的一致性,较常用的算法：,最近最久未使用LRU,最近未使用NRU（Clock）,最少使用LFU,周期性地写回磁盘,后台专用程序，如：UNIX中的SYNC,间隔一定时间，强制性地把所有缓存中的已修改的盘块数据写回磁盘。,定期自动保存,提高磁盘I/O速度的其它方法,提前读（Read-Ahead）,延迟写,选讲,优化物理块的分布,虚拟盘,廉价磁盘冗余阵列,Redundant Array of Inexpensive Disk,并行交叉存取,RAID的分级,RAID的优点,选讲,编写程序，模拟,FIFO（LRU、OPT）,算法，完成虚拟存储管理的页面淘汰过程。,要求：从键盘上输入允许进程占有的页架数及一个访问串，输出淘汰过程，给出依次被淘汰的页及共发生的缺页次数。,例如：,从键盘上输入允许进程占有的页架数为：3从键盘上输入一个访问串为：7012030423032120170输出：FIFO共14次缺页依次被淘汰的页：7,0,1,2,3,0,4,2,3,0,1,上机练习三,习题五,1 DMA控制方式与通道控制方式有什么不同？,在DMA控制方式中，DMA控制器控制设备和主存之间成批,地进行数据交换，而不用CPU干预。这样既大大减轻了CPU的,负担，也使I/O数据传送速度大大提高。这种控制方式应用于块,设备的数据传输。,通道控制方式与DMA控制方式类似，也是一种实现设备,与内存直接交换数据的控制方式。在通道控制方式中，CPU只,需要发出启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就,可以启动通道并从该通道中调出相应的通道程序执行。与DMA,方式相比，通道方式所需要的CPU干预更少，且可以做到一个,通道控制多台设备，从而更进一步减轻CPU的负担。,2 在 采用SPOOLing技术的系统中，用户的打印数据首先被送到（）,A 磁盘固定区域,B 内存固定区域,C 终端,D 打印机,3 什么是DMA方式？它与中断方式的主要区别是什么？,DMA指的是直接存储器访问。就是用DMA控制器来控制一个数据块的传输，而CPU只需要在一个数据块传输的开始阶段设置好传输所需要的控制信息，并在传输结束阶段做进一步处理即可的传输控制方式，其,基本思想是在设备和内存间开辟一个直接的数据传输的通路,中断驱动控制方式是,每个数据,传输后即发出中断，而DMA是在,一批数据,传输完毕后才发中断；中断控制方式的传输是由CPU控制的，而DMA方式中CPU只在数据传输的开始和结束阶段参与控制。因此，DMA方式相比于中断方式，通过硬件的增加,大大减少了中断的次数。,4 试给出两种I/O调度算法？并说明为什么在I/O调度中不能采用时间片轮转法,先来先服务算法和优先级高者优先算法,原因：,1某些设备的固有属性决定了不能采用时间片轮转法，如打印机,2 I/O设备的速度慢，I/O设备间来回切换的开销很大,3 各个I/O设备间的数据传输速率差别较大，时间片的大小不好确定。,5 一个快速SCSI-II总线上的磁盘转速为7200RPM，每磁道160个扇区，每扇区512个字节。那么，理想状态下，其数据传输率为（）,A 7200*160KB/S,B 7200KB/S,C 9600KB/S,D 19200KB/S,6 CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可采用（）,A 并行技术,B 缓冲技术,C 虚存技术,D 覆盖技术,7 磁盘调度算法中，（）算法可能会随时改变磁头的移动方向。,A 电梯调度,B 最短寻道时间优先,C 扫描,D 单向扫描,