计算机设备管理知识培训

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,*,*,*,操作系统 第五章 设备管理,第五章 设备管理,5.1 输入输出管理概念,5.2 数据传送控制方式,5.3 中断技术,5.4 缓冲技术,5.5 设备分配,5.6,I/O进程控制,5.7,设备驱动程序,5.8,磁盘的驱动调度,1,5.1 输入输出管理概念,一、设备管理的目的：,1）合理地利用外部设备:提高设备的并行性和均衡性,。,2）方便用户：,对各种不同的设备都使用同一界面,。,二、设备管理的功能,根据各类设备的特点确定相应的分配策略。（,包括：设备分配策略，分配的方式，分配技术和选择用户的算法,。）,启动设备完成实际的输入输出操作。,向用户提供统一、友好的使用界面。（设备独立性）,优化设备的调度、提高设备的利用率。,外部设备：,除CPU、主存之外的其它设备。,2,三、设备的分类,计算机的,I/O,设备种类很多，结构也较复杂，管理起来较困难，为了管理上的方便。通常按不同的观点从不同的角度对设备进行分类。,1按所属关系分类,1）,系统设备。,指在操作系统生成时已登记于系统中的,标准设备,。如键盘、打印机、磁盘等。,2）,用户设备。,指在系统生成时未登记于系统中的,非标准设备,。用户必须用某种方式把这类设备交给系统统一管理，如绘图机、扫描仪等，,3,2从设备的共享属性（资源分配角度）分类,1）,独占设备。,指在在一段时间内只允许一个用户（进程）访问的设备，如,打印机、卡片输入机,等。系统一旦将这类设备分配给某一作业，就在作业整个运行期间都为它独占。,2）,共享设备。,指允许若干个用户同时共享使用的设备，如,磁盘、磁带,等。,3）,虚拟设备。,为提高设备的利用率，通过Spooling技术把一台独占设备变换为若干台逻辑设备，供若干个用户（进程）同时使用，用来模拟独占设备的那部分共享设备称为,虚拟设备,。,4,3从设备的使用特性分类,1）,存储设备。,指计算机用来存储信息的设备：如磁盘、磁带等。,2）,输入输出设备。,包括输入设备和输出设备两大类。,输入设备,：是将外部世界来的信息输送给计算机，如键盘、鼠标器、扫描仪等。,输出设备：,是将计算机处理或加工好的信息输出给外部世界，如打印机、显示器、绘图机等。,5,4按信息交换（单位）方式分类,1）块设备。,指计算机的主存和外设之间的信息交换是以块为单位进行的设备。一块通常是512个字节或1K字节，由于信息交换以块为单位进行，所以这类设备有较高的存取速度；如,磁盘、磁带,等。,2）字符设备。,指计算机的主存与设备之间的信息交换是以字符为单位进行的设备，由于每次只能传送一个字符的信息，所以这类设备的速度较低，如,键盘、显示器、打印机、卡片输入机,等。,6,计算机系统的输入输出设备种类、型号、规格繁多，所以必须屏蔽设备的物理特性，向用户提供一个统一、简便的使用接口，实现所谓的与设备无关性（设备独立性）。,所谓,方便,，是指用户能摆脱具体物理设备的繁琐规定的束缚而方便灵活地使用设备。,所谓,统一,，,是指对各种不同的设备都使用同一界面。例如，在,UNIX,系统中从各种输入设备输入信息都使用系统调用,read,向各种输出设备传送信息都使用系统调用,write.,四、,设备独立性(设备无关性),逻辑设备名：,用户自己指定的设备名（设备类,相对号）。,物理设备名,：系统提供的设备标准名称（绝对号）。,(一)设备独立性：,用户在编制程序时使用的设备与实际使用的设备无关，用户程序中使用的是逻辑设备。,7,1、一个程序应该独立于分配给它的某种类型的具体设备。,1）保护程序不会因为某一台物理设备发生故障或已分配给其它程序而失效；,2）使操作系统根据当时总的设备配置情况自由地分配适当类型的设备。,2、一个程序应该尽可能与它所使用的I/O设备类型无关。,指在I/O信息时，可以从不同类型的设备上I/O，若要改变设备的类型，程序只需做很少的修改。,(二)设备独立性的类型：,逻辑设备名,物理设备名,设备管理,8,(三),设备管理分为两层：,1）输入输出控制系统,它与用户相互交互，完成设备的分配、调度并向程序员提供一个统一的编程接口，实现了逻辑设备向物理设备的转换。,2）设备驱动程序,它直接与设备打交道，控制设备控制器，完成具体的输入输出。,实现设备无关性的一个好办法就是采用分层思想，逐层抽象。,9,5.2 数据传输控制方式,一、IO控制方式,1）循环测试I/O方式；,2）I/O中断方式；,3）DMA方式；,4）通道方式。,设备（I/O）控制器：,是CPU与I/O设备之间的接口，设备不直接与CPU进行通信，设备控制器接收从CPU发来的命令，去控制I/O设备工作，包括控制/状态寄存器和数据缓冲寄存器。,10,CPU与外设的活动本质上是异步的，为了实现CPU与外设间的信息传送，CPU必须重复测试外设的状态；仅当外设是处在准备好的状态时，CPU才能与外设交换信息。,问题：,1）CPU的大量时间消耗在等待输入输出的循环检测上，使CPU与外设串行工作，严重影响了CPU的使用效率；,2）外设的使用也不合理(诸外设不能并行工作)；,3）无法支持多道程序并发执行，整个系统效率很低。,在早期计算机或现代一些简单的微型计算机系统中采用循环测试传送方式。循环测试传送是一种用,程序直接控制IO操作的方式,。,1. 循环测试I/O方式；,11,2. IO中断方式；,引入中断技术后，每当设备完成IO操作时，便向CPU发出中断请求信号，通知CPU进行I/O中断处理。,这样，CPU一旦启动1O设备后便可执行其它程序，仅在收到IO中断请求时才执行其中断服务程序，进行IO处理。,例如,行式打印机每打印一行约需60ms,在循环测试传送方式中，大约有59.99ms CPU都处于循环测试中，在程序中断IO方式中，CPU仅用0.1ms时间处理打印机的中断服务程序。其余的59.9ms可以处理其它任务。,12,优点：,1）程序中断传送方式改善了CPU的利用率；,2）使CPU与外设并行操作。,缺点：,采用中断驱动IO方式时，每传送一个数据CPU都要做一次中断处理，每次中断处理都要保护CPU现场，处理结束时又要恢复CPU现场，若管理的I/O设备较多，CPU会陷入这些I/O中断处理中，无法进行其他工作。,13,3. DMA传送方式（直接内存存取）,为了进一步减少CPU对IO的干预而引入了直接存储器访问方式。,设备,主存,直接传送,不用CPU干涉,I/O控制器增添了DMA控制机构，在DMA控制器控制下，外设直接与内存交换成批数据而不用CPU干预。,为了实现控制器与主机之间成批数据的直接交换，必须在DMA控制器中设置四类寄存器：,(1)命令状态寄存器CR；,(2)数据缓冲寄存器DR;,(3)内存地址寄存器MAR;,(4)数据计数器DC。,14,以从磁盘读入数据为例说明DMA方式的工作流程：,1）当CPU要从磁盘读入一数据块时，便向磁盘控制器发送一条读命令，该命令被送入命令寄存器CR;,2）同时发送本次要将数据读入内存的起始地址到MAR中;,3）本次要读的数据的字节(符)数送至DR中;,4）将磁盘源地址直接送至DMA控制器的I/O控制逻辑上；,5）然后启动DMA控制器进行数据传送。,以后,CPU便可去处理其他任务。此后的整个数据传送便由DMA控制器进行控制。,15,采用DMA方式时，不仅允许CPU控制地址线，进行CPU与主存贮器的数据交换，而且允许DMA控制器接管地址线的控制权，直接控制DMA控制器与主存的数据交换。,当DMA硬件控制磁盘与存贮器之间进行信息交换时，每当磁盘把一个数据读入控制器的数据缓冲区时，DMA控制器取代CPU,接管地址总线的控制权，并按照DMA控制器中的存贮器地址寄存器内容,把数据送入相应的存贮器单元中。然后，DMA硬件自动地把传送的字节计数器减1，把地址寄存器加1，并恢复CPU对主存贮器的控制权，DMA控制器对每一个传送的数据重复上述过程，直到传送字节计数器为“0”时，向CPU产生一个中断信号。,16,DMA方式的问题：,1）DMA方式仍存在一定的局限性，如数据传送的方向、存放数据的内存始址、传送数据的长度都需要CPU控制；,2）每台设备都需要配置一个DMA控制器，当设备较多时，成本太高。,该方式的特点：,数据传输的基本单位是数据块；所传送的数据是从设备直接进入内存的,或者相反，仅在传送一个或多个数据块的开始或结束时才需CPU干预，整块数据的传送是在控制器的控制下完成的。,DMA方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了CPU对IO的干预，进一步提高了CPU与I/O设备的并行程度。,17,通道：,专门负责IO控制的处理机。,它接收CPU的委托，独立地执行自己的通道程序，管理和控制输入输出操作，实现主存贮器与外围设备之间的成批数据传送。,在大中型和高档小型计算机系统中，大多采用通道技术。通道有自己的简单指令系统，数据传送指令和设备控制指令等。通道执行的程序称为,通道程序,。,与DMA方式相比，通道有更强的IO处理能力。,4. 通道方式,当CPU委托的IO任务完成后，通道发出中断信号，请求CPU处理。使CPU摆脱了繁琐的输入输出控制工作，提高了CPU与外围设备工作的并行程度。多通道之间可实现了并行操作，各通道控制的外围设备也实现了并行操作，从而提高整个系统的处理效率。,18,按照信息的交换方式和控制设备的种类，通道可以分为三种类型：,1）字节多路通道,字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以以字节交叉方式执行多个通道程序。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。,字节多路通道主要用来连接大量慢速的字符设备,，如纸带输入出机，卡片输入出机、打印机、终端等等。在IBM370系统中，这样的通道可连接256台设备。,19,2）选择通道,选择通道每次选择一台设备，执行一个通道程序，传送一批数据，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。选择通道在一段时间内只允许一台设备进行数据传输，传送速度很高，但在设备传输未完成之前，由它独占通道。由于选择通道能控制设备高速连续地传送一批数据，因此,常用它连接高速的块设备,。如磁盘、磁鼓等。,20,3成(数）组多路通道,成组多路通道结合了选择通道传送速度高和字节多路通道能进行并行操作的优点，采用分时轮转同时控制多台设备。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。因此,常用它连接中速的块设备,。如磁带等。,21,主存,CPU,字节,多路通道,选择,通道,成组,多路通道,CPU总线,磁盘,磁带,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,I/O控制,采用通道方式的计算机系统结构,22,1.,中断：,一进程占有处理机执行期间系统发生各种事件需要处理机来处理，从而使得处理机暂停当前进程的执行而转去执行相应的中断处理程序，待事件处理完毕后再返回原来被中断处继续执行的过程。,5.3 中断技术,一、中断的基本概念,2.,中断源：,引起中断发生的事件。,3.,中断请求：,中断源向处理机发出的请求中断处理的信号。,4.,中断处理程序,：对中断事件进行相应处理的操作系统程序。,23,1.强迫性中断事件（非运行进程所期望的）,二、中断,事件的类型,2.自愿性中断事件（运行进程所要求的）,硬件故障中断（电源掉电、读/写错等）,程序性中断（数据溢出、访问溢出等）,外部中断（键盘输入命令）,输入输出中断（外部设备故障）,访管中断（执行一条“访管指令”请求系统调用）。,24,中断码存入PSW寄存器的中断码位,将旧PSW 将新PSW,保存到主存 送到PSW寄存器。,CPU收到中断请求后转相应的中断处理程序的过程称为中断响应。,三、,中断响应,PSW寄存器,1.,保存被中断进,程的现场,2.,执行中断处理,程序,四、,中断处理过程,应用,程序 交换PSW,执行中断,处理程序,PSW寄存器,CPU,1. 发现和识别中断事件:,硬件设有中断装置发现和识别中断事件。,2. 交换PSW,25,五、,中断处理的原则,硬件故障中断输出事件的性质。,程序性中断输出进程名，程序断点，事件性质。,外部中断接收外部请求后转例行子程序。,正常情况，释放等待进程。,输入输出中断,异常情况，告知出错信息。,访管中断根据访管指令中的功能号转对应的系统调用。,26,中断优先级顺序：,硬件故障中断自愿性中断程序性中断外部中断输入输出中断,。,七、,中断屏蔽,中断请求产生之后，系统用软件的方法有选择地封锁部分中断而响应其余中断。,六、,中断优先级,当多个中断事件同时发生时，中断装置按预先定好的顺序响应同时出现的中断事件，这个预先定好的顺序称为中断优先级。,27,5.4 缓冲技术,一、,概述,引入缓冲技术的目的：,1）改善CPU与外围设备之间速度不匹配的矛盾；,2）,减少中断CPU的次数，放宽CPU对中断的响应时间。,3）,减少占用通道的时间，使通道的瓶颈现象得以缓和，从而显著提高CPU、通道、I/O设备间的并行操作程度。,缓冲技术实现的基本思想：,当一个进程执行写操作输出数据时，先向系统申请一个主存区域缓冲区，然后，将数据高速送到缓冲区。若为顺序写请求，则不断把数据填到缓冲区，直到它被装满为止。此后，进程可以继续它的计算，同时，系统将缓冲区内容写到IO设备上。,28,在输出数据时，只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，进程又欲输出信息时，它才需要等待；在输入数据时，仅当缓冲区空而进程又要从中读取数据时，它才被迫等待。其它时间可以进一步提高,CPU,和,IO,设备的并行性，以及,IO设备和IO设备之间的并行性，从而，提高,整个系统的效率。,缓冲的类型,单缓冲,双缓冲,多缓冲（环形缓冲）,缓冲池（UNIX操作系统）,1）硬缓冲寄存器,2）软缓冲在主存中开辟一片区域充当缓冲区，并设置 I/O指针。,根据系统设置缓存器的数目可把缓冲的类型分为：,29,2.双缓冲,两个缓冲区交替使用，使CPU和IO设备的并行性进一步提高，仅当两个缓冲区都取空，进程还要提取数据时，它再被迫等待。,缓冲区1,取出,缓冲区2,放入,1.单缓冲,缓冲区,放入,取出,放数据和取数据以串行方式工作，一般说，每次读写操作都要转入进程调度，所以，采用单缓冲技术，,I/O,设备并行性差，系统效率低。,30,3.环形缓冲技术,环形缓冲技术是在主存中分配一组大小相等的存贮区作为缓冲区，并将这些缓冲区链接起来，系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲区的指针，最后一个缓冲区中的指针指向第一个缓冲区，从而形成环形缓冲区链，系统可循环使用这些缓冲区。,环形缓冲区用于输入(输出)时，还要有两个指针1N和0UT，IN指向可接收数据的空闭缓冲区的首址，OUT指针指向装好数据且未取走的缓冲区首址。,31,32,4.缓冲池,缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池中各缓冲区的大小与用于I0设备的基本信息单位相似，缓冲池属系统资源，由系统进行管理。缓冲池中各缓冲区可用于输出输入信息，并可根据需要组成各种缓冲区队列。,缓冲池中的缓冲区一般有以下三种类型：空闲缓冲区、装输入数据的缓冲区和装输出数据的缓冲区。,缓冲池结构,缓冲池由多个缓存区组成。,缓冲首部：缓冲区的说明信息。,缓冲区由两部分组成,缓冲体：存放数据的区域。,33,缓冲区队列:,空白缓冲队列em，队首指针F（em），队尾指针L（em）。输入缓冲队列in，队首指针F（in），队尾指针L（in）。,输出缓冲队列,out,，队首指针,F,（,out,），队尾指针,L,（,out,）,缓冲区队列缓冲区,2.工作缓冲区:,收容输入缓冲区hin 提取输入缓冲区sin,收容输出缓冲区hout 提取输出缓冲区sout,34,3.缓冲池管理,（1）从缓冲区队列取出一个缓冲区的过程：,take-buf（type）；,（2）将一个缓冲区插入缓冲区队列的过程：,add-buf（type，number）；,（3）进程申请一个缓冲区用的过程：,get-buf（type，number）；,（4）进程释放一个缓冲区用的过程：,put-buf（type，work-buf）。,其中：参数type表示缓冲区队列；,参数number为缓冲区号；,参数work-buf为工作缓冲区类型。,35,4.缓冲池的工作过程,收容输入：,收容输出：,get-buf（em，number）； get-buf（em，number）；,设备放入输入数据；,进程放入输出数据；,put-buf（in，hin） put-buf（out，hout）,提取输入：,提取输出：,get-buf（in，number）； get-buf（out，number）；,进程取出输入数据；,设备取出输出数据；,put-buf（em，sin） put-buf（em，sout）。,5.特点：既可以用于输入又可以用于输出。,36,当进程向系统提出I/O请求后，由设备分配程序按照一定的策略把所要求的设备分配给该进程，为确保CPU与设备之间能进行通信，还应分配相应的控制器和通道。,5.5 设备的分配,一、设备分配的功能,系统设备表（SDT）,整个系统一张，每个设备占一个表项，记录了系统中所有设备的情况。,设备控制表（DCT）,每个设备一张，记录了设备特性以及设备和I/O控制器的连接情况。,控制器表（COCT）,每个控制器一张，记录了控制器的使用状态以及和通道的连接情况。,通道控制表（CHCT）,每个通道一张，记录了通道的情况。,二、设备分配的数据结构,37,系统必须具有一种合理的设备分配策略，该策略与下述的四个因素有关；,1）IO设备的固有属性，该设备仅适合于某进程独占或可供几个进程共享（,设备的分配方式,）；,三、设备分配原则,2）系统采用的分配算法，是采用先请求先分配方式，还是按优先级最高者优先分配的方式（,设备的分配策略,）；,3）,设备分配的安全性,，不合理的设备分配有可能导致死锁的发生；,4）,设备的无关性,，用户程序与实际使用的物理设备无关。,38,（一）设备分配的方式,静态分配：,是在,作业级,进行的，当一个作业运行之前由系统一次分配满足需要的全部设备，这些设备一直为该作业占用，直到作业撤消。这种分配不会出现死锁，但设备的利用效率较低。,动态分配：,是在,进程运行的过程中,进行的，当进程需要使用设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，系统按一定的分配策略给进程分配所需设备，一旦使用完毕立即释放。显然这种分配方式有利于提高设备的使用效率，但会出观死锁。,39,（二）I/O设备分配算法,1先请求先分配：,根据进程对某设备提出请求的先后次序，可将进程排成一个队列，设备分配程序总是先把设备分配给队首进程。,2优先级高者优先分配：,本算法总是将设备分配给优先级最高的进程。为此，通常在形成设备队列时，是将优先级高的进程排在前面；对于相同优先级的IO请求，则按先来先服务原则排队。,40,（三）设备分配的安全性,从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式；,1安全分配方式(单请求方式)：,在这种分配方式中，每当进程发出IO请求后便进入阻塞状态，直至IO操作完成时才被唤醒。在此策略中，由于已经避免了造成死锁的四个必要条件之一的“请求和保护”条件，因而分配是安全的。其缺点是进程进展缓慢、CPU和1O之间是串行工作的。,41,2不安全分配方式(多请求方式)：,在这种分配方式中，进程发出IO请求后仍继续运行，需要时又发出第二个IO请求、第三个IO请求。仅当进程所请求的设备己被另一进程占用时进程才进入阻塞状态。,优点：,一个进程可同时操作多个设备，使这些设备能并行工作；,缺点：,分配不安全，从而可能形成死锁。因此在设备分配程序中还应增加一个功能，用于对本次的设备分配是否会形成死锁而进行安全性计算，仅当计算结果说明分配是安全时，方才进行分配。,（四）设备的无关性,42,1、独享分配,独占型设备有行式打印机，键盘，显示器。磁带机可作为,独占设备,，也可作为,共享设备,。,对独占型设备一般采用静态分配,，即当一个用户作业申请独占设备时，系统把设备分配给这个用户作业，直到这个作业撤销为止，在这期间设备被这个用户作业独占。,2、共享分配,共亨设备包括磁盘，磁鼓和磁带。,对这类设备的分配是,采用动态分配的方式,进行的，当一个进程要请求某个设备时，系统按照某种算法立即分配相应的设备给请求者，请求者使用完后立即释放。,四、虚拟设备技术,43,3、虚拟设备技术：,为提高计算机系统的效率，提出了在高速共享设备上模拟低速独占设备功能的技术。目的是使独占设备变成可共享的设备。操作系统中实现这种技术的功能模块称,Spooling（即外部设备联机同时操作)系统,。,虚拟设备：,代替独占设备的那部分存贮空间和相应的控制结构。,提出虚拟设备的原因:,设备的独占使用影响系统的效率。,系统效率不高的表现：,1.占用者不是每时每刻在使用独占的设备；,2.欲使用者必须等待这些设备；,3.,独占,设备的传输效率低（低速的I/O设备）。,44,实现虚拟设备的条件 :,硬件: 通道,大容量磁盘: 输入井用于存放作业的原始信息,输出井用于存放作业的执行结果,软件：预输入程序、井管理程序、缓输出程序,预输入（程序）：,在作业执行前，负责将作业信息通过独占设备预先输入到磁盘输入井中放好。,缓输出（程序）：,在作业执行完毕后，负责组织信息输出。,井管理（程序）：,控制用户进程和磁盘井之间的信息交换。,作业执行使用数据时不必再启动独占设备读入，而只需从磁盘,输入井,上输入数据。,作业执行中，不必启动独占设备输出数据，只要将作业输出数据写入磁盘输出井中放好,45,46,虚拟分配实现的过程：,当用户(或进程)申请独占设备时，系统给它分配共享设备的一部分存储空间。当进程要与设备交换信息时，系统就把要交换的信息存放在这部分存储空间。在适当的时候再将存贮空间的信息传输到相应的设备上去处理。,如系统打印信息时，就把要打印的信息送到某个存贮空间中去，然后由系统在适当时机把存储空间上的信息送到打印机上打印。这个时机可能是打印机空闲或打印机完成了一用户的打印之后。,47,虚拟设备技术,的特点,：,1）提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的I/O操作变为对输入井或输出井的操作，如同脱机操作一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低速I/O设备速度不匹配的矛盾。,2）设备并没有分配给任何进程。在输入井或输出井中，分配给进程的是一存储区和建立一张I/O请求表。,3）实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一独享设备，而对每一进程而言，都认为自己独占这一设备，不过该设备是逻辑上的设备。,48,1）提高了独占设备的利用率；,2）每个用户都有速度极高的“输入机”和“打印机”，缩短 了作业执行时间；,3）能够多道并行工作 。,实现虚拟设备,的好处,：,49,一、什么是I/O进程控制,从用户进程的输入输出请求开始，给用户进程分配设备和启动相关设备，进行I/O操作，以及在I/O操作完成以后响应中断，进行善后处理为止的整个系统控制过程。,5.6,I/O进程控制,二、I/O控制的功能,外设中断请求,用户进程I/O请求,中断原因分析,唤醒中断处理程序,I/O请求处理,设备分配程序,缓冲区管理,中断响应,启动I/O指令,设备驱动程序或通道程序,I/O控制,50,一、什么是设备驱动程序,设备驱动程序，是驱动物理设备和DMA控制器或I/O控制器等直接进行I/O操作的子程序的集合。负责设置设备有关寄存器的值，启动设备进行I/O操作，指定操作的类型和数据流向等。,二、为何要有设备驱动程序,设备驱动程序屏蔽了直接对硬件操作的细节，为编程者提供操纵设备的友好接口。,5.7,设备驱动程序,三、用户怎样使用驱动程序,用户进程通过调用设备驱动程序提供的接口来使用设备驱动程序。,51,四、,设备驱动程序的功能,1、,接收由,设备独立性软件,发来的命令和参数，并将命令中的抽象要求转换为具体要求。,2、检查,用户I/O请求,的合法性，了解I/O设备的状态，传递有关参数，设置设备的工作方式。,3、,发出I/O命令,。,4、响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断类型调用相应的中断处理程序进行处理。,5、根据用户的I/O请求，自动构成通道程序。,52,一、,磁盘的物理结构,5.8,磁盘的驱动调度,旋转方向,定位标记,0扇区,1扇区,0扇区,1扇区,2扇区,3扇区,柱面号,1读写参数 磁头号,扇区号,2启动一次磁盘的时间:,（1）寻找时间（2）延迟时间（3）传输时间,53,二、,磁盘的驱动调度,当有多个访问者在等待使用磁盘时，选择磁盘访问者的执行次序，使总的I/O操作时间最短的调度策略称为驱动调度。,访问磁盘的时间=寻找时间+延迟时间+传输时间,移臂调度,磁盘的驱动调度,旋转调度,54,三、移臂调度算法,先来先服务调度算法（FCFS）：,按请求访问者的先后次序调度。,最短寻找时间调度算法（SSTF）：,选择寻找时间最短的访问者调度。,扫描法：,依次顺序扫描各个柱面，按各访问者所在的柱面位置选择。,电梯调度算法（SCAN）：,从移动臂当前位置开始沿着臂的移动方向去选择离当前移动臂最近的那个柱面的访问者。,55,四、旋转调度算法,优先选择延迟时间最短的访问者去执行。这样根据延迟时间来决定执行次序的调度称为旋转调度。,五、驱动调度总原则,优先选择与当前访问者的柱面相同的访问,者，从中再选择旋转距离最短者；,同一柱面的访问请求处理结束后，再移臂,到另一个柱面。,56,六、磁盘驱动调度算法应用举例,假定磁盘有200个磁道，当前有9个访问者（进程）先后提出I/O操作，需要访问的磁道分别为：55，58，39，18，90，160，150，38，184；又假定当前磁头位置为100#，且磁头正在自里向外移动时。,57,访问 移动 累计,磁道 距离 移动,0 18,38 39 55 58 90,150 160 184 199,40,80,120,160,200,240,280,320,360,400,440,480,520,FCFS调度算法示例,平均寻道长度,55.3,184,146,498,55,45,45,58,3,48,39,19,67,18,21,88,90,72,160,160,70,230,150,10,240,38,112,352,请求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,;,100,结束,平均寻道长度,55.3,先来先服务FCFS/先进先出FIFO,58,最短寻道时间优先 SSTF,0 18,38 39 55 58 90,150 160 184 199,40,80,120,160,200,240,280,320,360,400,440,480,520,SSTF调度算法示例,100,访问 移动 累计,磁道 距离 移动,90,10,10,58,32,42,55,3,45,39,16,61,38,1,62,18,20,82,150,132,214,160,10,224,184,24,248,平均寻道长度,27.5,结束,平均寻道长度,27.5,请求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,;,59,扫描算法 SCAN,0 18,38 39 55 58 90,150 160 184 199,40,80,120,160,200,240,280,320,360,400,440,480,520,SCAN调度算法示例,访问 移动 累计,磁道 距离 移动,150,50,50,160,10,60,184,24,84,90,94,178,58,32,210,55,3,213,39,16,229,38,1,230,18,20,250,平均寻道长度,27.8,结束,平均寻道长度,27.8,100,请求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,;,60,循环扫描算法CSCAN,0 18,38 39 55 58 90,150 160 184 199,40,80,120,160,200,240,280,320,360,400,440,480,520,CSCAN调度算法示例,访问 移动 累计,磁道 距离 移动,150,50,50,160,10,60,184,24,84,18,166,250,38,20,270,39,1,271,55,16,287,58,3,290,90,32,322,平均寻道长度,35,.8,结束,平均寻道长度,35.8,100,请求序列：55, 58, 39, 18, 90, 160, 150, 38, 184,;,61,总结：,设备管理的目的：,1）合理地利用外部设备,提高各种外部设备的工作效率,。,2）,对各种外部设备采用尽可能统一的管理方法,方便用户。,I/O设备的类型：,1）系统设备。 2）用户设备。,1）独占设备。 2）共享设备。 3） 虚拟设备。,1）存贮设备(或文件设备)。 2） 输入输出设备。,1）块设备。 2）字符设备。,IO控制方式：,1）循环测试IO方式； 2）IO中断方式；,3）DMA传送方式； 4）通道传送方式。,62,引入缓冲技术的目的：,1）改善CPU与外围设备之间速度不匹配的矛盾；,2）,减少中断CPU的次数，放宽CPU对中断的响应时间。,3）,减少占用通道的时间，使通道的瓶颈现象得以缓和，从而显著提高CPU、通道、I/O设备间的并行操作程度。,设备分配,设备控制表、控制器控制表、通道控制表、系统设备表,设备分配策略，该策略与下述的四个因素有关：,1）IO设备的固有属性；,2）系统采用的分配算法；,3）设备分配的安全性；,4）设备的无关性。,63,I/O设备分配算法:,1）先请求先分配;,2）优先级高者优先分配。,设备的分配方式:,1）静态分配独占设备,2）动态分配共享设备,3）虚拟分配虚拟设备,从进程运行的安全性上考虑，设备分配有以下两种方式：,1）安全分配方式；（CPU与外部设备串行）,2）不安全分配方式：,64,设备独立性：,Spooling,（外部设备联机同时操作),技术：,为提高计算机系统的效率，提出了在高速共享设备上模拟低速设备功能的技术。,虚拟设备：,代替独占设备的那部分存贮空间和相应的控制结构。,I/O控制,设备驱动程序的功能,1）CPU准备阶段,2）执行I/O阶段,3）CPU进行善后处理阶段,移臂调度,磁盘的驱动调度,旋转调度,65,