操作系统课件08设备管理

,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,*,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,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,*,第八章 设备管理,（一） 设备管理的基本概念,（二） 缓冲技术,（三） 设备分配技术,（四） 输入,/,输出控制,（一） 设备管理的基本概念,1,、,计算机设备定义,在计算机系统中除,CPU,和内存储外所有的其它设备，,又称为计算机外部设备。,按照设备的功能分类：,1,）存储设备,用来存放各种信息的设备称为存储设备（硬盘，,U,盘，光盘，移动硬盘等等）。,2,）,I/O,设备 （,Input/Output,）,用来向计算机输入和输出信息的设备（键盘，鼠,标，显示器，打印机，扫描仪等等）。,3,）通信设备,如以太网卡、无线网卡等。,从不同的角度，可以对设备进行不同的分类,1.,按信息传输单位分类,（,1,）块设备,（,2,）字符设备,2.,按资源分配方式分类,（,1,）独占设备,（,2,）共享设备,（,3,）虚拟设备,3,2.,设备管理的目标,提高设备利用率,合理分配设备,提高设备与,CPU,、各外部设备之间的并行性,方便用户的使用,提供使用方便且独立于设备的界面,统一：对各种不同的设备提供一致的界面,独立于设备：用户使用的设备与物理设备无关,二,.,设备管理功能,1.,状态跟踪,通过,设备控制块,(DCB,Device Control Block),动态的记录各种设备的状态。,2.,设备分配与回收,作业级,静态分配,作业进入系统时一次性分配，退出系统时收回全部资源。,进程级,动态分配,进程提出设备申请时进行分配，使用完毕后立即收回。,3.,设备控制,实施设备驱动和中断处理的工作。设备控制包括设备的驱动、完成和故障中断处理。,三,.,设备独立性,1,、问题的引出,为了方便用户使用各种设备，需屏蔽设备的物理特性,2.,设备独立性的概念,即,应用程序,独立于具体使用的,物理设备,。为了实现,设备,独立性而引入了,逻辑设备,和,物理设备,这两个概念。在,应用程序,中， 使用逻辑,设备,名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时， 还必须使用,物理设备,名称。,3,、两类设备独立性,（,1,）一个程序应独立于分配给它的某种类型的具体设备,即在用户程序中只指明,I/O,使用的设备类型即可。如在系统中配备了两台打印机，用户要打印时只要告诉系统要将信息送到打印机即可。,（,2,）程序要尽可能地与它使用的设备类型无关,即在用户程序中只要指出要输入或输出信息，至于信息,I/O,使用的设备不需用户指明。,8,在,Linux/UNIX,系统中，把设备与,文件,统一处理，这比前两种设备独立性又算了一步，对于用户来说，就没有设备的概念。,7,3,、设备独立性的实现,1,）在高级语言中用软通道实现,使用高级语言提供的指派语句，通过指派一个逻辑设,备名 来定义一个设备或文件。,如：,fd = open(“/dev/lp” ,mode),2,）在批处理系统中，用联接说明语句来定义,如：,OUTPUT1 = LPT,3),在交互系统中，用指派命令来定义,如：,PDP,系列机上的,RT11,系统,ASSIGN,设备物理名 设备逻辑名,4.,设备独立性的优点,方便用户编程,提高系统资源的利用率,提高系统的可扩展性和可适应性,5.,设备控制块,(DCB),设备控制块是设备管理的数据结构，用来存放设备的硬件特性、连接和使用情况，每类设备有一个设备控制块。,设备名,设备属性,指向命令转换表的指针,在,I,/,O,总线上的设备地址,设备状态,当前用户进程指针,I/O,请求队列指针,设备转换表（设备开关表）,设备开关表存放设备驱动和控制程序人口地址。,（二） 缓冲技术,一、缓冲的概念,1,、定义：,缓冲是两种不同速度的设备之间传输信息时平滑传输过,程的常用手段。,为什么要使用缓冲,解决两种设备之间传输信息时速度不匹配,慢速设备,快速设备,慢速设备,快速设备,中速设备缓冲,2.,缓冲的实现,（,1,）缓冲器（硬件实现）,用来暂时存放数据的一种硬件存储装置，容量较小。,（,2,）软件缓冲区（软件实现）,I/O,操作期间，用来临时存放,I/O,数据的一块主存区域。,12,利用缓冲技术如何进行,I/O,操作,进程请求从输入设备进行读操作的图示,输入设备,BUF,进程,与需要同步,13,进程请求从输入设备进行读操作的步骤,当用户要求在某个设备上进行读操作时，首先从系统中获得一个空的缓冲区,；,将一个物理记录送到缓冲区中,；,当用户请求这些数据时，系统将依据逻辑记录特性,从缓冲区中提取并发送到用户进程存储区中,；,当缓冲区空而进程又要从中取用数据时该进程被迫,等待。此时，操作系统需要重新送数据填满缓冲,区，进程才能从中取数据继续运行。,要注意操作与操作的同步关系,14,进程,请求从输出设备进行写操作的图示,与需要同步,输出设备,BUF,进程,15,进程请求从输出设备进行写操作的步骤,当用户要求进行写操作时，首先从系统中获得一个,空的缓冲区,；,将一个逻辑记录从进程存储区传送到缓冲区中,；,当缓冲区写满时，系统将缓冲区的内容作为物理记,录文件写到设备上，使缓冲区再次为空,；,只有在系统还来不及腾空缓冲区之前，进程又企图,输出信息时，它才需要等待。,要注意操作与操作的同步关系,二、常用的缓冲技术,常用的缓冲技术：,双缓冲,、环形缓冲、,缓冲池,16,双,缓冲,在双缓冲方案下，为输入或输出分配两个缓冲区,buf,1,、,buf,2,。,输入数据时，如何利用双缓冲,输出数据时，如何利用双缓冲,17,输入数据时，如何利用双缓冲,输入设备,BUF,1,进程,BUF,2,18,输出数据时，如何利用双缓冲,输出设备,BUF,1,进程,BUF,2,缓冲池,系统设置多个缓冲区，形成一个缓冲池。这个池中的缓冲区为系统中所有的进程共享使用。,为了管理这些缓冲区，建立相应的数据结构,：,缓冲区管理信息数据结构,空闲缓冲区队列,满缓冲区队列等,（三）设备分配,静态分配,当一个作业（或进程）运行时，根据作业要求的设备，系统如果能满足，则将其要求的设备全部分配给它，然后开始运行，运行完成释放其占用的所有设备。,这种分配方式的优点是系统,绝不会出现死锁,，缺点是设备,利用率太低,。,动态分配,这种分配方法是在作业（或进程）运行的过程中，需要使用设备时，就向系统申请，系统根据某种分配原则进行分配。,这种方法的优点是设备的,利用率高,，缺点是系统,有出现死锁的可能,。,设备分配的主要技术：,独享分配,共享分配,虚拟分配,独享分配,独享设备,1.,什么是独享设备,在一段时间内，由一个作业或进程独自占用（即使没有使用）的设备，例如打印机等等。,2.,什么是独享分配（使用静态分配）,在一个作业执行前，或进程提出资源申请后，将所要使用的设备分配给它；当作业结束，或进程释放后，才将分配给它的这类设备收回（不能强行收回）。,共享分配,1.,什么是共享设备,由多个作业、进程共同使用的设备称为共享设备，例如磁盘等等。,2.,什么是共享分配 （使用动态分配）,当进程提出资源申请时，由设备管理模块进行分配。进程使用完毕后，立即收回。,虚拟分配,虚拟分配,当进程需要与独占型设备交换信息时，系统将分配磁盘空 间，并建立相应的数据结构，这种分配方法称为设备的虚拟分配。,虚拟设备,通常把用来代替独占型设备的那部分外存空间,(,包括有关的,控制表格,),称为虚拟设备。,虚拟技术,所谓虚拟技术，是在一类物理设备（如外存）上模拟另一类物理设备（如打印机）的技术，是将独占设备转化为共享设备的技术。,SPOOLing,，全名：,Simultaneous Peripheral Operations On,Line,，即外部设备联机并行操作，通常也叫做“假脱机技术”。是一种预输入、缓输出和转储的管理技术。,必要条件,1,（互斥条件）：难以否定,，,解决办法：假脱机技术,(1),预输入,在作业需要数据前，操作系统已将所需数据预先输入到辅存输入井存放。当作业（或进程）需要数据时，可以从辅存中读入内存。,(2),缓输出,在作业执行时，将输出数据写入辅存输出井中。当作业（或进程）执行完毕（或需要数据时），由操作系统将数据输出。,共享打印机,共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。 当用户进程请求打印输出时，,SPOOLing,系统同意为它打印输出， 但并不真正立即把打印机分配给该用户进程， 而只为它做两件事： 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。,SPOOL,系统的优点：,提高了,I/O,速度,提高了设备利用率和系统的吞吐能力（,将独享设备改造为共享设备,）；,实现对独占设备的改造和提高了进程的并发度和执行效率,（,实现了虚拟设备功能,）,（四）,输入输出控制,1,、设备,I/O,（数据传输）方式,1,）程序查询方式,2,）中断控制方式,3,）,DMA,方式,4,）通道方式,程序,I/O,方式,在程序,I/O,方式中，由于,CPU,的高速性和,I/O,设备的低速性， 致使,CPU,的绝大部分时间都处于等待,I/O,设备完成数据,I/O,的循环测试中， 造成对,CPU,的极大浪费。在该方式中，,CPU,之所以要不断地测试,I/O,设备的状态。,I/O,中断方式,在,I/O,设备输入每个数据的过程中，由于无须,CPU,干预，因而可使,CPU,与,I/O,设备并行工作。,仅当输完一个数据时，才需,CPU,花费极短的时间,去做些中断处理。可见，这样可使,CPU,和,I/O,设,备都处于忙碌状态，从而提高了整个系统的资源,利用率及吞吐量。,DMA(Direct Memory Access),控制方式的引入,该方式的特点是：, 数据传输的基本单位是数据块，即在,CPU,与,I/O,设备之间，每次传送,至少一个数据块；, 所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反；, 仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时，才需,CPU,干预，整块数,据的传送是在控制器的控制下完成的。,可见，,DMA,方式较之中断驱动方式，又是成百倍地减少了,CPU,对,I/O,的干预，进一步提高了,CPU,与,I/O,设备的并行操作程度。,I/O,通道控制方式,I/O,通道方式是,DMA,方式的发展，它可进一步减少,CPU,的干预，即把对一个数据块的读,(,或写,),为单位的干预，减少为对一组数据块的读,(,或写,),及有关的控制和管理为单位的干预。,通道是一种专用处理部件，它能控制一台或多台外设工作，负责外部设备和储存之间的信息传输。,设备驱动程序,操作系统与设备交互的惟一模块，由生产设备的厂商提供。,操作系统对设备驱动的管理：,上层提供统一的系统调用接口；,下层通过设备开关表与设备驱动程序直接关联。,设备驱动主要完成的工作：,对设备进行初始化；,从设备接收数据并回传系统或将数据从系统送到设备；,检测和处理设备错误。,作业,第,8,章,11,