OS设备管理课件

1 第 6章设 备 管 理 2 l 设 备 管 理 ： 对 外 围 设 备 的 启 动 和控 制 工 作 。 3 l操 作 系 统 的 设 备 管 理 功 能 负 责 管 理 输 入 输 出 设 备 使用 的 部 分 。 I/O处 理 。 4 6.1 概 述 6.2 I/O控 制 方 式 6.3 I/O软 件 6.4 I/O设 备 分 配 6.5 磁 盘 调 度 6.6 I/O设 备 有 关 技 术 5 6.1.1 设 备 管 理 的 重 要 性6.1.2 I/O设 备 的 分 类6.1.3 I/O设 备 的 组 成 6 系 统 总 线CPU 存 储 器 设 备驱 动 器 I/O设 备设 备 电 缆图 6-1 计 算 机 系 统 与 I/O设 备 系 统 的五 官 、四 肢 7 lI/O设 备 是 人 机 对 话 的 界 面 和 接 口 ；l解 决 系 统 性 能 的 “ 瓶 颈 ” 问 题 ；l对 多 种 多 样 的 设 备 实 现 统 一 的 管 理 ；l在 实 时 处 理 和 控 制 系 统 中 ， 输 入 输出 信 息 的 及 时 传 送 。 8 1、 按 设 备 的 使 用 特 性 分 类 ；2、 按 设 备 的 信 息 组 织 方 式 分 类 ；3、 按 设 备 使 用 的 共 享 性 分 类 ； 9 l输 入 设 备 ；l输 出 设 备 ；l交 互 式 设 备 ；l存 储 设 备 ； 10 （ 1） 输 入 设 备l 定 义 ： 计 算 机 用 以 “ 感 受 ” /“ 接 触 ” 外 部 信息 的 设 备 。l 内 容 ： 键 盘 、 鼠 标 数 字 量 ； 视 频 设 备 、 红 外 接 受 设 备 、 电波 接 受 设 备 、 数 码 相 机 等 物 理 信 号 量 ； 化 学 传 感 器 ； 扫 描 仪 ； 光 盘 读取 设 备 11 （ 2） 输 出 设 备l 定 义 ： 输 出 用 以 “ 影 响 ” /“ 控 制 ” 其 他外 部 装 置 的 信 息 的 设 备 。l 内 容 ： 打 印 机 、 绘 图 仪 、 照 片 输 出 设 备 ； 显 示 器 、 数 字 语 音 和 音 响 设 备 ； 数 字 录 音 设 备 、 光 盘 刻 录 设 备 等 。 12 （ 3） 交 互 式 设 备l 内 容 ： 显 示 器 、 键 盘 、 鼠 标 、 手 写 /语 音输 入 设 备 等 ；l 特 点 ： 输 出外 界 信 息 计 算 机 系 统 运 算 结 果输 入 13 （ 4） 存 储 型 设 备l定 义 ： 计 算 机 用 来 保 存 信 息 的 装 置 。l特 性 ： 可 写 入 性 ； 可 读 出 性 ； 可 保 存 性 。 14 （ 1） 分 类 依 据 ： 设 备 一 次 操 作 的 数 据 传 送 单位 。（ 2） 类 型 ：“ 字 符 设 备 ” 键 盘 、 终 端 、 打 印 机 “ 块 设 备 ” 磁 盘 、 磁 带 15 （ 3） 字 符 设 备 I/O类 设 备 ： 传 递 或 接 受 一 连 串 的 字 符 ， 不考 虑 任 何 结 构 ； 不 寻 址 ， 无 任 何 查 找 操作 。（ 4） 块 设 备 存 储 类 设 备 ： 能 够 随 时 读 写 其 中 的 任 何 一 块而 与 所 有 其 他 块 无 关 。 16 （ 1） 独 占 设 备l特 点 ： 只 能 让 一 个 作 业 独 占 使 用 。l分 配 方 式 ： 静 态 。l内 容 ： 输 入 机 、 磁 带 机 、 打 印 机 l问 题 ： 设 备 利 用 率 低 。 17 （ 2） 共 享 设 备l特 点 ： 允 许 多 个 作 业 同 时 使 用 。l分 配 方 式 ： 动 态 (交 替 )。l内 容 ： 磁 盘 18 从 设 备 管 理 的 角 度 分 析1、 物 理 设 备 ： 输 入 输 出 设 备 中 为 执 行 所 规定 的 操 作 所 必 须 有 的 物 理 装 置 I/O设备 的 主 体 部 分 。 19 2、 电 子 部 件 ： 接 受 和 发 送 计 算 机 与 输 入 输 出 设 备 之 间的 控 制 命 令 以 及 数 据 的 电 子 部 件 。（ 1） I/O设 备 控 制 器l 端 口 地 址 译 码 ；l 按 约 定 的 格 式 和 过 程 接 受 或 发 送 控 制 信 号 和 数 据 ；l 缓 冲 存 储 ；l 进 行 对 输 入 输 出 设 备 自 身 的 各 种 控 制 、 信 息 传 送 和数 据 加 工 等 任 务 。 20 2、 电 子 部 件 ：（ 2） I/O设 备 控 制 接 口 按 照 计 算 机 主 机 与 设 备 的 约 定 格式 和 过 程 接 受 或 发 送 数 据 和 信 号 。 内 容 ： 并 行 接 口 、 串 行 接 口 同 步 、 异 步 21 l计 算 机 对 输 入 输 出 设 备 的 4种 控 制 方式 ： 程 序 查 询 （ 轮 询 ） 方 式 ； 程 序 中 断 方 式 ； 输 入 输 出 通 道 方 式 ； 直 接 传 送 （ DMA） 方 式 。 22 1、 早 期 计 算 机 系 统 对 I/O设 备 的 一 种 管 理方 式 。2、 定 时 对 各 种 设 备 轮 询 一 遍 有 无 出 路 要 求 ：有 要 求 的 ： 加 以 处 理 。CPU 外部设备控制逻辑电 路 控 制 寄 存 器I/O控 制 器数 据 寄 存 器 23 特 点 ： 简 单 ； 可 以 及 时 处 理 。 效 率 较 低 ； 浪 费 大 量 CPU时 间 ； 处 理 的 设 备 数 量 有 限 。 24 1、 I/O设 备 中 断（ 1） 目 的 ： 解 决 CPU与 I/O设 备 速 度 匹 配 问题 。 （ 2） 设 置 ：l CPU与 I/O控 制 器 之 间 的 中 断 请 求 线 ；l I/O控 制 器 的 状 态 Reg设 中 断 允 许 位 。 25 （ 3） 步 骤 ：l 某 进 程 需 要 传 输 数 据 时 ， 发 出 指 令 启 动 I/O设备 ， 准 备 数 据 置 中 断 允 许 位 。l 在 进 程 发 出 指 令 启 动 设 备 后 ， 进 程 放 弃 CPU ，等 待 相 关 I/O操 作 完 成 。l 当 I/O操 作 完 成 时 ， I/O设 备 控 制 器 通 过 I/O请求 线 发 出 中 断 信 号 。 CPU接 受 后 ， 转 向 相 应 的中 断 处 理 程 序 处 理 。l 得 到 数 据 的 进 程 转 入 就 绪 状 态 。 26 2、 I/O设 备 中 断 方 式 的 优 缺 点（ 1） 优 点 ： CPU利 用 率 大 大 提 高 ； 支 持 多 道 程 序 和 I/O设 备 并 行 操 作 。（ 2） 问 题 ： 如 果 设 备 较 多 时 ， 中 断 次 数 急 剧 增 加 ， 造 成 CPU无法 响 应 中 断 和 出 现 数 据 丢 失 现 象 。 缓 冲 区 较 小 ， 装 满 后 亦 会 发 生 中 断 ， 耗 去 CPU的 大量 时 间 。 27 l定 义 ： 数 据 在 内 存 与 I/O设 备 之间 直 接 进 行 成 块 传 输 。 28 1、 DMA技 术 特 征 直 接 传 送 、 块 传 送CPU 存 储 器 磁 盘 控 制 器磁 盘 缓 冲 区DMAReg存 储 器 地 址计 数 器系 统 总 线 29 DMA控 制 器 ： 控 制 寄 存 器 、 状 态 寄 存 器 、 数 据 缓 冲 寄 存 器 、 传 送 字 节 计 数 器 、 内 存 地 址 寄 存 器 。 30 2、 DMA工 作 过 程（ 1） 当 进 程 要 求 输 入 时 ， 把 要 求 传 送 的 内 存 始 址 （ M）和 要 传 的 字 节 数 送 入 DMA的 内 存 地 址 寄 存 器 和 传 送 字 数寄 存 器（ 2） 把 启 动 位 置 1。 设 备 开 始 工 作 。 进 程 （ A） 挂 起 。 调度 另 一 进 程 （ B）（ 3） 一 批 数 据 输 入 完 成 后 ， DMA中 断 B， 转 向 中 断 处 理 程序 。（ 4） 中 断 处 理 程 序 唤 醒 A， 返 回 B的 断 点 继 续 执 行 。（ 5） 以 后 OS调 度 A运 行 时 ， A从 M处 取 数 据 处 理 。 31 3、 DMA与 中 断 的 区 别（ 1） 中 断 方 式 是 在 数 据 缓 冲 寄 存 区 满 后 ， 发 中断 请 求 ， CPU进 行 中 断 处 理 ； DMA方 式 则 是 在 所 要 求 传 送 的 数 据 块全 部 传 送 结 束 时 要 求 CPU进 行 中 断 处 理 ； 大 大 减 少 了 CPU进 行 中 断 处 理 的 次 数 。（ 2） 中 断 方 式 的 数 据 传 送 是 由 CPU控 制 完 成 的 ； 而 DMA方 式 则 是 在 DMAC的 控 制 下 完 成 的 ； 解 除 速 度 不 匹 配 、 数 据 丢 失 等 问 题 。 32 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 33 l定 义 ： 独 立 于 CPU的 、 专 门 管 理I/O的 处 理 机 ， 控 制 设 备 与 内 存 直 接进 行 数 据 交 换 。 34图 6-3 通 道 35 l连 接 ：（ 1） 一 个 CPU可 连 接 多 个 通 道 ； 一 个 通 道 可 连 接 多 个 设 备 控 制 器 ； 一 个 设 备 控 制 器 可 连 接 多 台 同 类 型 设 备 。 （ 2） 一 个 设 备 连 接 几 个 设 备 制 控 器 ； 一 个 设 备 控 制 器 连 接 在 几 个 通 道 上 。 36 l 以 内 存 为 中 心 ， 实 现 设 备 和 内 存 直 接 交换 数 据 的 控 制 方 式 。l 通 道 控 制 数 据 传 送 方 向 ； 存 放 数 据 的 内 存 起 始 地 址 ； 传 送 的 数 据 块 长 度 。 37 1、 I/O通 道 分 类（ 1） 字 节 多 路 通 道l 以 字 节 为 基 本 传 输 单 位 ， 当 一 台 设 备 传送 一 个 字 节 后 ， 立 即 转 去 为 另 一 台 设 备传 送 一 个 字 节 。l 适 于 连 接 打 印 机 、 终 端 等 慢 、 中 速 I/O设备 。 38 39 1、 I/O通 道 分 类（ 2） 选 择 通 道 ：l 一 次 执 行 一 个 通 道 程 序 ， 控 制 一 台 设 备 连 续地 传 送 一 批 数 据 ， 当 一 个 程 序 执 行 完 后 ， 才转 向 下 一 个 程 序 。l 它 的 优 点 是 传 输 速 度 高 ， 缺 点 是 一 次 只 能 控制 一 台 设 备 进 行 I/O操 作 。l 主 要 用 于 控 制 高 速 外 设 ： 磁 盘 、 磁 带 。 40选 择 通 道 41 1、 I/O通 道 分 类（ 3） 成 组 多 路 通 道 ：l 上 述 两 种 通 道 的 折 中 ， 可 以 分 时 的 方 式 执 行多 道 程 序 ， 每 道 程 序 可 传 送 一 组 数 据 。 它 主要 用 于 中 速 设 备 的 控 制 。 42 2、 通 道 工 作 原 理l 当 有 I/O请 求 时 ： CPU先 执 行 “ 启 动 I O指 令 ” ； 启 动 指 定 通 道 上 的 指 定 设 备 ； 成 功 ： 通 道 按 规 定 通 过 设 备 控 制 器 控 制 外 设操 作 。 CPU可 执 行 其 他 任 务 ， 与 通 道 并 行 工 作 。 43 lI O操 作 完 成 时 ：l 通 道 发 “ I O中 断 ” ； CPU暂 停 ， 转 中 断 处 理 。 44 l 问 题 ： CPU要 告 诉 通 道 “ 做 什 么 、 怎 么做 ” ；l 通 道 命 令 ： 硬 件 提 供 的 OS使 用 外 围 设 备 的 手 段 ；l 通 道 程 序 ：l定 义 ： 规 定 通 道 执 行 一 次 I O操 作 应 做 的工 作 的 一 组 通 道 命 令 。l作 用 ： 启 动 通 道 ， 依 次 执 行 ， 实 现 对 外 围设 备 的 控 制 。 45 格 式 ： 46 不 同 外 围 设 备 、 不 同 系 统的 通 道 命 令 格 式 等 不 同 。 47 （ 1） 定 义 ： 存 放 通 道 程 序 首地 址 的 主 存 固 定 单 元 。 （ 2） 作 用 ： 启 动 通 道 ， 从CAW中 取 要 执 行 的 第 一 条 通 道 命令 ； 记 录 存 放 程 序 的 地 址 ， 顺 序执 行 。 48 （ 1） 作 用 ： 记 录 通 道 和 设 备 执 行 操 作 的情 况 。（ 2） 格 式 ： 49 l 准 备 阶 段 用 户 请 求 存 取 文 件 信 息 ； 文 件 系 统 确 定 道 通 、 设 备 ， 设 备 管 理 ， 请 求 协 助 按 要 求 组 织 通 道 程 序 ， 首 地 址 CAW。文 件 操 作 调 用 参 数 根 据 给 定 信 息 存 放 的 主 存 地 址 存 储 介 质 上 的 位 置 通 知 50 l启 动 I O阶 段 CPU执 行 “ 启 动 I/O” 指 令 ， 通 道 用 条 件 码 回 答 ； 分 析 条 件 码 忙 ： 启 动 失 败 ， 再 重 新 启 动 ； 成 功 ， 由 控 制 设 备 进 行 I/O操 作 ， CPU可 与 通 道 并 行 工 作 。 中 51 l结 束 处 理 阶 段 通 道 发 现 CSW的 设 备 状 态 情 况 ， 发 I/O中 断 ； 送 产 生 中 断 的 通 道 号 、 设 备 绝 对 号 中断 Reg； 送 CSW 主 存 中 的 约 定 的 固 定 单 元 。 操 作 系 统 作 上 述 内 容 分 析 ， 作 相 应 处 理 。 （ 图 ） 52 53 产 生 原 因 通 道 程 序 的 执 行 ； 外 界 原 因 CPU 通 道 了 解 I/O操 作 的 执 行 情 况 请 求 CPU进 行 干 预I/O中 断协 调 工 作 I/O中 断 I/O中 断 54 l 新 的 通 道 思 想 综 合 了 许 多 新 的 技 术l 在 个 人 计 算 机 中 ， 芯 片 组 中 有 专 门 的 I/O处 理 芯 片 ，称 为 IOP（ IO Processor） ， 发 挥 通 道 的 作 用l IBM 390 中 ， 沿 用 了 输 入 输 出 通 道 概 念 IBM于 1998年 推 出 光 纤 通 道 技 术 （ 称 为 FICON） ，可 通 过 FICON 连 接 多 达 127个 大 容 量 I/O设 备 。 传输 速 度 是 333MHz s， 未 来 将 达 到 1GHz s。 光 纤 通 道 技 术 具 有 数 据 传 输 速 率 高 、 传 输 距 离远 ， 可 简 化 大 型 存 储 系 统 设 计 的 优 点 在 大 容 量 高 速 存 储 ， 如 大 型 数 据 库 、 多 媒 体 、数 字 影 像 等 应 用 领 域 ， 有 广 泛 前 景 55 1、 I/O软 件 的 目 标（ 1） 设 备 独 立 性 用 户 编 程 时 使 用 的 设 备 与 实 际 使 用 设备 无 关 。（ 2） 统 一 命 名 用 一 个 序 列 字 符 串 或 一 个 整 数 来 表 征 一个 I/O设 备 的 名 字 。 不 依 赖 设 备 。 56 2、 I/O软 件 结 构 用 户 级 软 件与 设 备 无 关 的 OS软 件设 备 驱 动 程 序中 断 处 理 程 序 57 1、 操 作 正 常 结 束（ 1） I/O中 断 形 成 ： 当 CSW中 有 通 道 结 束 、 控 制 器 结束 、 设 备 结 束 ， 则 表 示 已 完 成 通 道程 序 规 定 的 所 有 操 作 ， 通 道 就 形 成 I/O中 断 。 58 （ 2） 中 断 处 理 独 占 设 备 ： 由 通 道 号 、 设 备 绝 对 号 查 设 备分 配 表 ， 确 定 作 业 （ 进 程 ） ， 将 该进 程 由 等 待 态 就 绪 态 。 59 共 享 设 备设 ： A进 程 等 待 访 问 设 备 ； B进 程 ： 请 求 I O操 作 完 成 ；则 ： B进 程 由 等 待 态 就 绪 态 ； A进 程 就 绪 ， 有 机 会 使 用 设 备 。 60 2、 操 作 异 常 结 束形 成 ： 设 备 故 障 、 设 备 特 殊 情 况 。内 容 ： 设 备 故 障产 生 ： 接 口 错 、 控 制 错 、 通 道 程 序 错 、 数 据 错处 理 ： 先 组 织 通 道 程 序 复 执 若 故 障 排 除 ， 可 继 续 ； 否 则 ， 输 出 信 息 ， 请 求 人 工 干 预 。 设 备 特 殊产 生 ： 如 打 印 纸 用 完 ； 磁 带 到 未 点 。处 理 ： 视 情 况 。 61 操 作 系 统 中 直 接 与 硬 件 打 交 道 的软 件 模 块 。 接 受 来 自 与 设 备 无 关 的 上 层 软 件的 抽 象 要 求 ， 进 行 与 I/O硬 件 设 备 相关 的 处 理 。 62 1、 设 备 驱 动 程 序 的 功 能（ 1） 向 有 关 的 I/O设 备 的 各 种 控 制 器 发 出控 制 命 令 ， 监 督 它 们 的 正 确 执 行 ， 并 且进 行 必 要 的 出 错 处 理 。（ 2） 对 各 种 可 能 的 有 关 I/O设 备 排 队 、 冻结 、 唤 醒 等 操 作 进 行 处 理 。（ 3） 执 行 确 定 的 缓 冲 区 策 略 。（ 4） 进 行 一 些 依 赖 于 I/O设 备 的 特 殊 处 理 。 63 2、 设 备 驱 动 程 序 的 特 性 与 I/O设 备 的 硬 件 结 构 密 切 联 系 。3、 设 备 驱 动 程 序 的 结 构 通 用 /专 用 64 4、 设 备 驱 动 程 序 层 的 内 部 策 略（ 1） 确 定 是 否 接 受 设 备 请 求 ；（ 2） 确 定 发 送 什 么 内 部 操 作 命 令 ；（ 3） 发 内 部 操 作 命 令 ；（ 4） 发 后 处 理 ： 可 能 冻 结 ； 操 作 立 即 完 成 ； 错 误 处 理 ；（ 5） 对 于 中 断 时 被 调 用 驱 动 程 序 的 发 后 处理 。 （ P184） 65 设 备 启 动 程 序 的 统 一 接 口设 备 命 名 （ 统 一 ）设 备 保 护提 供 一 个 与 设 备 无 关 的 逻 辑 块缓 冲存 储 设 备 的 块 分 配独 占 设 备 的 分 配 和 释 放错 误 处 理图 6-4 与 设 备 无 关 I/O软 件 的 功 能 66 l 系 统 调 用 67 图 6-5 I/O系 统 的 层 次 结 构 及 每 层 的 主 要 功 能用 户 进 程与 设 备 独 立 软 件设 备 驱 动 程 序中 断 处 理硬 件层I/O请 求 I/O响 应各 层 的 I/O功 能发 出 I/O调 用 ， SPOOLing设 备 名 解 析 、 阻 塞 、 缓 冲 分 析设 备 寄 存 器 、 检 查 状 态 I/O完 成 后 ， 唤 醒 设 备 驱 动完 成 I/O操 作 68 6.4.1 设 备 分 配 原 则1、 设 备 分 配 原 则（ 1） 总 原 则 ： 充 分 发 挥 设 备 的 使 用 效 率 。（ 2） 分 配 方 式 ： 静 态 分 配 、 动 态 分 配 。 69 设 备 的 绝 对 号 与 相 对 号 独 占 设 备 的 分 配 . 70 绝 对 号 计 算 机 系 统 为 区 分 和 识 别 各种 外 围 设 备 ， 为 每 一 台 设 备 确 定一 个 编 号 设 备 的 “” 。 71 相 对 号 用 户 在 程 序 中 为 要 求 使 用 的同 类 设 备 定 义 的 设 备 编 号 设备 的 “ ” 。 72 绝 对 号 与 相 对 号 的 对 应 关 系l用 户 要 求 “ 设 备 类 、 相 对 号 ” 。l系 统 分 配 设 备 确 立 “ 设 备 类 、相 对 号 ” 与 “ 绝 对 号 ” 的 关 系 。l系 统 可 由 用 户 的 使 用 要 求 确 知实 际 应 启 动 哪 台 设 备 . 73 l策 略 ： 静 态 分 配 例 ： 用 户 作 业 初 始 信 息 （ 源 程 序 、 数据 ) 系 统 ， 作 业 执 行 首 先 ： 输 入 机 读 源 程 序 ； 然 后 ： 编 译 源 程 序 （ 输 入 机 空 闲 ） ； 再 ： 目 标 程 序 运 行 ， 输 入 机 读 数 据 ，加 工 。 74 l原 因 ： （ 1） 一 个 作 业 执 行 会 随 时 请 求 启动 输 入 机 ； （ 2） 一 个 作 业 执 行 不 断 产 生 结 果要 求 记 录 于 磁 带 、 或 打 印 输 出 。 75 l结 论 ： 打 印 机 、 磁 带 机 、 输 入 机 只适 于 独 占 使 用 。 76 l方 式 ：l独 占 设 备 分 配 一 个 作 业 ， 使 其 满 足 ，进 入 主 存 ， 执 行 ， 结 束 ， 撤 离 ；l独 占 设 备 收 回 ， 再 分 配 给 另 一 个 作业 。 77 l设 备 的 指 定 方 式 指 定 设 备 绝 对 号 ； 指 定 设 备 相 对 号 。 78 l设 备 的 指 定 ： 作 业 申 请 独 占 设 备 时 ， 应指 定 需 要 什 么 设 备 。 79 l指 定 设 备 的 绝 对 号 指 定 设 备 绝 对 号 ， 系 统 判 断 该 设 备 闲 ， 对 应 分 配 该 设 备 忙 /故 障 ， 等 待 分 配 。 80 l指 定 设 备 类 、 相 对 号 （ 1） 分 配 ： 系 统 找 “ 好 的 未 分 配 的 ” 分 配 ； 用 户 设 备 故 障 ， 可 再 分 配 。 81 （ 1） 方 式 ： 设 置 “ 设 备 分 配 表 ”（ 2） 内 容 ： （ 图 6-6 设 备 类 表 和 设 备 表 ） 82 l 分 配 ：作 业 申 请 ： 先 查 “ 设 备 类 表 ” ， 判 断 该 类 现 存 数 够 否 ？ 查 “ 设 备 表 ” ， 找 “ 好 的 且 未 分 配 的 ” 设 备分 配 ； 修 改 “ 设 备 类 表 ” 中 现 存 台 数 ； 修 改 “ 设 备 表 ” 已 分 配 ， 填 作 业 名 ， 相 对 号 绝 对 号 相 对 号 关 系 用 户 。作 业 使 用 ： 系 统 查 “ 该 类 设 备 表 ” 始 址 、 绝 对 号 、 启 动 。 83 l收 回 ：作 业 归 还 ： 由 作 业 名 查 “ 设 备 表 ” ； 置 “ 未 分 配 ” ； 清 除 作 业 名 ； “ 设 备 类 表 ” 现 存 台 数 增 加 则 收 回 使 用 权 。 （ 图 ） 84 85 （ 1） 申 请 设 备 。（ 2） 启 动 设 备 。（ 3） 释 放 设 备 。 86 硬 盘 的 三 个 主 要 优 点 : （ 1） 可 用 的 存 储 容 量 非 常 大 ； （ 2） 每 位 的 价 格 非 常 低 ； （ 3） 电 源 关 掉 后 ， 信 息 不 会 丢 失 。 87 （ 1） 磁 盘 机 ： 一 种 高 速 、 大 容量 、 旋 转 型 的 存 储 设 备 。 （ 2） 磁 盘 机 的 作 用 ： 记 录 信 息 在 盘 片 上 ； 从 盘 片 上 读 出 信 息 。 88 （ 1） 盘 片 ： 正 、 反 两 个 面 ； 盘 组 ： 若 干 盘 片 组 成 。 固 定 一 个 轴 上 ，向 一 个 方 向 高 速 旋 转 。（ 2） 读 写 磁 头 移 动 臂 ， 一 个 盘 面 一 个 ； 磁 头 号 ： 编 号 由 上 至 下 ： 0， 1，2 （ 3） 磁 道 ： 每 个 盘 面 有 许 多 ， 编 号 由 外向 里 从 0开 始 ， 柱 面 号 磁 道 号 。 89 （ 4） 扇 区 ： 初 始 时 划 分 ， 每 个 盘 的 数 量 相 等 ； 扇 区 号 ： 按 磁 盘 旋 转 反 向 编 号 。（ 5） 块 ： 信 息 读 写 最 小 单 位 ； 每 个 扇 区 各 磁 道 均 可 存 放 数 量 相 等 的 字符 。（ 6） 结 论 ： 确 定 一 个 块 柱 面 号 、 磁 头 号 、 扇 区 号 。 90 91 1、 过 程 ：（ 1） 移 动 移 动 臂 到 指 定 柱 面 ；（ 2） 待 指 定 扇 区 旋 转 到 磁 头 位 置 下 ；（ 3） 指 定 磁 头 读 写 ， 完 成 信 息 传 送 。 92 2、 花 费 时 间（ 1） 寻 找 时 间 磁 头 在 移 动 臂 带 动下 移 动 到 指 定 柱 面 所 花 的 时 间 。（ 2） 延 迟 时 间 指 定 扇 区 旋 转 到 磁头 下 所 需 的 时 间 。（ 3） 传 送 时 间 由 磁 头 进 行 读 写 完成 信 息 传 送 的 时 间 。 （ 图 ） 93 94 3、 文 件 在 磁 盘 上 的 存 放（ 1） 方 式 ： 按 柱 面 存 放 （ 2） 磁 盘 块 编 号 ： i柱 面 ， j磁 头 ， k扇 区 ， b块 号 b k s （ j i t） （ 每 盘 面 扇 区 数 ） （ 每 个 柱 面 磁 道 数 ） 95 （ 3） 块 号 与 位 置 关 系 (第 P块 的 位 置 ) 每 个 柱 面 ： s t 个 磁 盘 块 ； 设 ： D=s t， M=P D， N=P mod D 则 ： 柱 面 号 =M 磁 头 号 =N s 扇 区 号 =N mod s 96 l问 题 ： 多 道 系 统 ， 每 一 时 刻 只 允 许 一 个 访问 者 启 动 磁 盘 ， 执 行 I/O操 作 ， 其 余 需 等待 ， 以 保 证 信 息 安 全 。l选 择 ： 根 据 移 动 臂 的 当 前 位 置 ， 使 寻 找 时间 、 延 迟 时 间 尽 量 小 的 那 个 访 问 者 优 先得 到 服 务 。 97 l目 的 ：l降 低 若 干 个 访 问 者 执 行 I 0操 作 的总 时 间 ；l增 加 单 位 时 间 内 的 I 0操 作 次 数 ；l提 高 系 统 的 效 率 。 98 l驱 动 调 度 ： 系 统 往 往 采 用 一 定 的 调 度 策 略以 决 定 各 等 待 访 问 者 的 执 行 次 序 ，这 项 工 作 驱 动 调 度 。 99 1、 移 臂 调 度 2、 旋 转 调 度 3、 信 息 的 优 化 分 布 . 100 l定 义 ： 根 据 访 问 者 指 定 的 柱 面 位 置 ，决 定 执 行 次 序 的 调 度 。l目 的 ： 减 少 I O操 作 中 的 寻 找 时 间 。 1. 先 来 先 服 务 调 度 算 法 2. 最 短 寻 找 时 间 优 先 调 度 算 法 3. 电 梯 调 度 算 法 4. 单 向 扫 描 调 度 算 法 101 l定 义 ： 只 考 虑 访 问 者 提 出 访 问 请求 的 先 后 次 序 。 102 l例 ： 读 写 磁 头 当 前 位 置 为 53号 柱 面I O操 作 . （ 磁 盘 共 200个 柱 面 ） 等 待 访 问 者 要 访 问 柱 面 顺 序 ： 98,183,37,122,14,124,65,67 (图 ) 103l 结 果 ： (45+85+146+85+108+110+59+2)=640(柱 面 )l 结 论 ： 寻 找 时 间 较 长 ， 执 行 I 0操 作 总 时 间 长 。 104 l定 义 ： 从 等 待 访 问 者 中 挑 选 寻 找时 间 最 短 的 那 个 请 求 先 执 行 。 105 l 例 ： 图 6-3-4 最 短 寻 找 时 间 优 先 调 度l问 题 ： 移 动 臂 可 能 会 来 回 改 变 方 向 。l总 共 移 动 236个 柱 面 距 离 。 106 l定 义 ： 从 移 动 臂 当 前 位 置 开 始 ， 沿 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 ； 若 沿 臂 的移 动 方 向 无 请 求 时 ， 就 改 变 移 动 方向 再 选 择 。 107 l例 ： 电 梯 当 前 在 4层 ， 向 上 ； 请 求 ： A： 2 10， B： 5 底 ， C： 8 15。 方 法 ： 4 8C 15 5B 底 2A 10 108 l 方 式 ： 移 动 臂 是 向 外 移 动 的 先 从 里 向 外 ， 然 后再 向 里 。 例 ： 53 37， 14， 65， 67， 98， 122， 124， 183 图 6-3-5(a)外 移 方 向 ， 共 移 动 208个 柱 面 109 l 方 式 ： 移 动 臂 是 向 里 移 动 的 先 由 外 向 里 ， 再 向 外 例 ： 图 6-3-5(b)里 移 方 向 ， 共 移 动 299个 柱 面 110 l 优 点 ： 简 单 、 实 用 、 高 效l 问 题 ： 需 记 录 读 写 磁 头 当 前 的 位 置 ； 移 动 臂 的 移 动 方 向 。 111 l方 法 ：l 从 0柱 面 向 里 扫 描 ， 按 所 要 访 问的 柱 面 的 位 置 的 次 序 选 择 访 问 者 ；l 到 达 最 后 一 柱 面 时 ， 迅 速 返 回 0柱 面 ， 返 回 时 不 服 务 。 112 l 例 ： 移 动 183个 柱 面 。 113 （ 1） 问 题 ： 移 动 臂 定 位 ， 有 多 个 访 问 者等 待 访 问 该 柱 面 ， 次 序 如 何 ？（ 2） 旋 转 调 度 ： 根 据 延 迟 时 间 决 定 执 行 次 序的 调 度 。 114 （ 3） 情 况 分 析l若 干 等 待 访 问 者 请 求 访 问 同 一 磁 道上 的 不 同 扇 区 ；l若 干 等 待 访 问 者 请 求 访 问 不 同 磁 道上 的 不 同 扇 区 ；l若 干 等 待 访 问 者 请 求 访 问 不 同 磁 道上 具 有 相 同 编 号 的 扇 区 。 115 （ 3） 处 理 ： 前 2种 种 情 况 ： 先 到 达 的 先 传 送 。 第 3种 情 况 ， 任 意 选 择 一 个 。 116 （ 4） 例 ： 4个 访 问 5号 柱 面请 求 次 序 柱 面 号 磁 头 号 扇 区 号 5 4 1 5 1 5 5 4 5 5 2 8执 行 次 序 ： 相 同 号 扇 区 ，一 次 访 问 一个 。 另 一 个待 下 一 次 旋转 到 再 访 问 117 （ 1） 问 题 ： 记 录 在 磁 道 上 的 排 列 方 式 也会 影 响 I O操 作 时 间 。 118 （ 2） 例 ： 一 个 盘 面 分 成 8个 扇 区 ， 8个 记 录 顺 序 存 放 。读 出 一 个 记 录 ， 需 处 理 5ms， 磁 盘 转 速 20ms 周 ， 故 ，读 一 个 记 录 2.5ms。 读 l号 记 录 ： 2.5ms 处 理 ： 5ms读 2号 记 录 ： 磁 头 已 转 至 4号 记 录 ，延 迟 15ms， 才 可 读 。故 ： 8个 记 录 处 理 时 间 =8 (2.5+5)+7 15=165(ms) 119 l 最 优 分 布 ：处 理 时 间 ： 8 （ 2.5+5） =60（ ms） 120 （ 3） 结 论 ： 记 录 的 最 优 分 布 ， 利 于 减 少 延 迟 时 间 ； 缩 短 I/O操 作 时 间 ； 提 高 系 统 效 率 。 121 6.6.1 缓 冲 技 术6.6.2 虚 设 备 技 术 122 1、 缓 冲 的 引 入 提 高 中 央 处 理 机 与 外 设 的 并 行程 度 ； 均 衡 系 统 的 负 荷 。 123 单 缓 冲 双 缓 冲 多 缓 冲 缓 冲 池 124 最 简 单 的 一 种 缓 冲 形 式 。 当 进 程 发 出 一 I/O请 求 时 ， OS为 之 分 配 一 缓 冲 区 。对 于 输 入 ： 设 备 先 将 数 据 送 入 缓 冲 区 ， OS再 将 数 据 传 给 进 程 。对 于 输 出 ： 进 程 先 将 数 据 传 入 缓 冲 区 ， OS再 将 数 据 送 出 到 设 备 。 125 双 缓 冲 技 术 加 快 I/O速 度 。原 理 ： 设 置 两 个 缓 冲 区 buf1和 buf2。 读 入 数 据 时 ， 首 先 输 入 设 备 向 buf1填入 数 据 ， 然 后 进 程 从 buf1提 取 数 据 ； 同 时 ， 输 入 设 备 向 buf2中 填 数 据 。 交 替 使 用 两 个 缓 冲 区 ， 使 CPU和 设 备的 并 行 操 作 的 程 度 进 一 步 提 高 。 126 多 缓 冲 技 术 是 在 主 存 中 分 配 一 组 大 小 相 等的 存 储 区 作 为 缓 冲 区 ， 并 将 这 些 缓 冲 区 链 接 起来 。 系 统 设 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 。 如 图 所 示 。 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 IN和 OUT。 127 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I/O的 设 备 的 基 本 信 息 单 位 相 似 ， 缓 冲 池属 于 系 统 资 源 ， 由 系 统 进 行 管 理 。 缓 冲 池 中 各 缓 冲 区 可 用 于 输 出 信 息 ，也 可 用 于 输 入 信 息 ， 并 可 根 据 需 要 组 成各 种 缓 冲 区 队 列 。 128 系 统 将 各 缓 冲 区 按 其 使 用 情 况 连 成 3种 队 列 ：（ 1） 空 闲 缓 冲 队 列 em；（ 2） 装 满 输 入 数 据 的 输 入 缓 冲 队 列 in；（ 3） 装 满 输 出 数 据 的 输 出 缓 冲 队 列 out； 129 l 在 缓 冲 池 中 ， 有 4种 工 作 缓 冲 区 ：（ 1） 用 于 收 容 设 备 输 入 数 据 的 收 容 输 入 缓 冲 区hin；（ 2） 用 于 提 取 设 备 输 入 数 据 的 提 取 输 入 缓 冲 区sin；（ 3） 用 于 收 容 CPU输 出 数 据 的 收 容 输 出 缓 冲 区hout；（ 4） 用 于 提 取 CPU输 出 数 据 的 提 取 输 出 缓 冲 区sout。 130 l 对 缓 冲 区 的 管 理 操 作 ：（ 1） 从 3种 缓 冲 区 队 列 中 按 一 定 的 选 取 规则 提 取 一 个 缓 冲 区 的 过 程 take_bud；（ 2） 把 缓 冲 区 按 一 定 的 选 取 规 则 插 入 相 应的 缓 冲 区 队 列 的 过 程 ；（ 3） 供 进 程 申 请 缓 冲 区 用 的 过 程 ；（ 4） 供 进 程 将 缓 冲 区 放 入 相 应 缓 冲 区 队 列的 过 程 。 131 l为 什 么 要 提 供 虚 拟 设 备l虚 拟 设 备 的 实 现 . 132 1 问 题 ：l 静 态 分 配 独 占 使 用 的 设备 (输 入 机 、 打 印 机 )导 致 不 能 充 分 利 用 设 备 不 利 于 提 高 系 统 效 率 . 133 2 表 现 （ 1） 占 有 输 入 机 和 打 印 机 的 作业 ， 一 部 分 时 间 使 用 设 备 ， 其 余 时间 设 备 处 于 空 闲 状 态 。 在 设 备 空 闲时 不 允 许 其 他 作 业 去 使 用 。 因 此 ，不 能 有 效 地 利 用 这 些 设 备 。 134 （ 2） 当 系 统 只 配 有 一 台 输 入 机和 一 台 打 印 机 时 ， 不 能 接 受 两 个 以上 要 求 使 用 输 入 机 和 打 印 机 的 作 业同 时 执 行 ， 不 利 于 多 道 并 行 工 作 。 135 （ 3） 独 占 设 备 多 为 低 速 设 备 ，在 作 业 执 行 中 往 往 由 于 等 待 这 些设 备 的 信 息 传 输 而 延 长 了 作 业 的执 行 时 间 。 136 3 解 决（ 1） 方 法 ： 用 共 享 的 磁 盘 模 拟 输 入 机 、 打 印机 工 作 ； 每 个 作 业 好 象 独 占 使 用 的 设 备 ，且 速 度 与 磁 盘 一 样 。 137 （ 2） 好 处 ： 各 作 业 执 行 期 间 只 使 用 虚 拟的 独 占 设 备 ， 而 不 直 接 使 用 物 理 的独 占 设 备 ； 使 独 占 的 使 用 设 备 变 为 可 共享 的 设 备 ； 设 备 的 利 用 率 、 系 统 效 率 得到 提 高 。 138 （ 一 ） 基 本 条 件 （ 二 ） 实 现 原 理 （ 三 ） 实 现 技 术 . 139 1 硬 件 ： 大 容 量 的 磁 盘 ； 中 断 装 置 ； 通 道 ； 具 有 CPU与 通 道 并 行 工 作能 力 。 2 操 作 系 统 多 道 程 序 设 计 技 术 。 140 1 一 批 作 业 的 全 部 信 息 磁 盘 ； 2 磁 盘 上 若 干 作 业 主 存 ， 并 行 执 行 ； 3 作 业 产 生 的 结 果 暂 存 磁 盘 ； 4 作 业 全 部 结 束 ， 打 印 结 果 。 预 先输 入 设 备同 时装 入 141 结 论 ： 作 业 执 行 过 程 中 ， 不 需 使用 输 入 机 ， 打 印 机 。 142 1 输 入 井 和 输 出 井（ 1） 井 ： 磁 盘 上 划 出 的 专 用 存 储 空 间 。（ 2） 输 入 井 ： 存 放 作 业 的 初 始 信 息 。（ 3） 输 出 井 ： 存 放 作 业 的 执 行 结 果 。 143 2 斯 普 林 (SPOOL)系 统 （ 1） 定 义 ： 在 计 算 机 控 制 下 ， 通 过联 机 的 外 围 设 备 同 时 操 作 ， 实 现 虚 拟 设备 的 功 能 。 144 （ 2） 组 成 ： 预 输 入 程 序a 作 业 流 ： 一 批 作 业 组 织 在 一 起 ；b 任 务 ： 将 作 业 流 中 的 每 个 作 业 的初 始 信 息 送 到 “ 输 入 井 ” 保 存 以 备 作业 执 行 时 用 。 145 井 管 理 程 序a 功 能 ： 输 入 机 读 信 息 输 入 井 读 信 息 将 启 动 从 打 印 机 输 出 信 息 写 结 果 到 输 出 井 146 井 管 理 程 序b 作 用 ： 对 系 统 ， 缩 短 信 息 的 存 取 时 间 ， 加快 作 业 的 执 行 ； 对 用 户 ， 保 证 信 息 的 正 确 存 取 。 147 井 管 理 程 序 c 分 类 ： 井 管 理 读 程 序 ： 从 输 入 井 读 出 信 息 供用 户 使 用 ； 井 管 理 写 程 序 ： 把 产 生 的 结 果 保 存 到输 出 井 中 148 缓 输 出 程 序 任 务 ： 查 看 “ 输 出 井 ” 中 是 否有 待 输 出 的 结 果 信 息 。 若 有 ， 则 启动 打 印 机 把 作 业 结 果 文 件 打 印 出 来 。 （ 图 ） 149 150 （ 1） 作 业 表 SPOOL系 统 设 置 一 张 （ 表 6-5-1） 151 l 输 入 井 中 的 作 业 的 四 种 状 态 ： 输 入 状 态 ： 预 输 入 程 序 启 动 了 输 入机 正 在 将 该 作 业 的 信 息 传 送 到 “ 输 入 井 ” 。 收 容 状 态 ： 该 作 业 的 信 息 已 经 存 放在 “ 输 入 井 ” 中 ， 但 尚 未 被 选 中 执 行 。 执 行 状 态 ： 作 业 已 被 选 中 并 装 入 主存 储 器 开 始 执 行 。 完 成 状 态 ： 作 业 已 执 行 结 束 ， 其 执行 结 果 在 “ 输 出 井 ” 中 等 待 打 印 输 出 。 152 （ 2） 预 输 入 表 每 个 作 业 一 张 ， 登 记 该 作 业 初 始 信 息 的 文件 名 、 设 备 类 型 、 文 件 长 度 、 文 件 存 放 位 置 。 153 （ 3） 缓 输 出 表 每 个 作 业 设 置 一 张 ， 登 记 该 作 业 产 生 的 结果 文 件 文 件 名 、 设 备 类 型 、 文 件 长 度 、 文 件 存放 位 置 。 154 （ 1） 接 纳 新 作 业 用 户 提 交 一 批 作 业 ， 由 操 作 员 键 入 “ 预 输 入 命 令 ” ，启 动 预 输 入 程 序 。 155 （ 2） 装 入 主 存 执 行l 选 处 于 “ 收 容 状 态 ” 作 业 执 行 ， 改 其 状 态为 “ 执 行 状 态 ” ；l 作 业 要 求 启 动 输 入 机 时 ， 调 “ 井 管 理 读 程序 ” 工 作 ： 由 作 业 名 查 预 输 入 表 ； 由 文 件 名 取 得 文 件 存 放 的 起 始 位 置 ； 给 链 指 针 依 次 读 出 “ 输 入 井 ” 中 文 件信 息 。 （ 读 出 信 息 不 保 留 ， 归 还 “ 输 入 井 ” 空间 。 ） 156 l 作 业 要 求 启 动 打 印 机 时 ， 调 “ 井 管 理 写 程序 ” 工 作 ： 由 作 业 名 查 缓 输 出 表 ； 找 “ 输 出 井 ” 空 闲 空 间 ； 结 果 信 息 组 织 链 接 文 件 “ 输 出 井 ” ； 缓 输 出 表 登 记 。l 作 业 执 行 结 束 ， 状 态 为 “ 完 成 状 态 ” 。 157 （ 3） 输 出 结 果l CPU空 闲 时 ， 缓 输 出 程 序 占 用 CPU； 查 看 作 业 表 ， 找 “ 完 成 状 态 ” 作 业 ； 查 缓 输 出 表 ， 得 结 果 文 件 的 存 放 位 置 ； 读 出 文 件 信 息 ， 转 换 为 打 印 格 式 ， 启 动 打 印机 ， 输 出 ； 归 还 “ 输 出 井 ” 空 间 ； 作 业 表 除 名 158 （ 1） 从 磁 盘 读 写 信 息 从 输 入 机 、 打 印 机 读 写 操 作 。 多 个 作 业 可 同 时 执 行 ； 加 快 作 业 的 执 行 速 度 ； 提 高 单 位 时 间 内 处 理 作 业 的 能 力 。（ 2） 结 果 ： 提 高 独 占 设 备 的 利 用 率 ； 系 统 的 各 种 资 源 被 充 分 利 用 。