虚拟存储器精编版

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1、计算机操作系统,课程主要内容,操作系统引论（1章） 进程管理（2-3章） 存储管理（4章） 设备管理（5章） 文件管理（6章） 操作系统接口（7章） 系统安全性（9章） *分布式操作系统,第5章 设 备 管 理,I/O系统 I/O控制方式 缓冲管理 设备分配 设备处理 磁盘存储器管理 *UNIX系统中的设备管理,本章作业,5.1 I/O 系统,I/O设备 设备控制器 I/O通道 I/O系统的总线系统 I/O系统的结构,I/O 系统的组成: I/O设备、设备控制器、 I/O通道*、总线及相应软件,5.1 .1 I/O 设备,1、 I/O设备的类型 系统设备 1）按设备的从属关系分类 用户设备 系

2、统设备：在OS生成时就已登记在系统中的标准设备，如键盘、显示器、打印机等。 用户设备：在OS生成时未登记在系统中的非标准设备，如鼠标、绘图仪、扫描仪等。,独享设备 2）按使用方式/共享属性分类 共享设备 虚拟设备 独享/独占设备：在一段时间只允许一个用户进程访问的设备。多数低速设备属此类，打印机就典型的独享设备。 共享设备：在一段时间只允许多个用户进程同时访问的设备。磁盘就典型的共享设备。 虚拟设备：指通过虚拟技术将一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，通常把这种经过虚拟技术处理后的设备称为虚拟设备。,低速设备 3）按传输速率分类 中速设备 高速设备 低速设备：传输速率仅为每

3、秒钟几个字节至数百个字节的设备。典型的有：键盘、鼠标、语音的输入/输出等。 中速设备：传输速率仅为每秒钟数千个字节至数数万个字节的设备。典型的有：打印机等。 高速设备：传输速率仅为每秒钟数百千个字节至数十兆字节的设备。典型的有：磁盘机、磁带机、光盘机等。,块设备 4）按信息交换的单位分类 字符设备 块设备：信息交换的基本单位为字符块，属于有结构设备，块大小一般为512B-4KB，典型的有：磁盘、磁带等。 字符设备：信息交换的基本单位为字符，典型的有：键盘、打印机和显示器等。 2、设备与控制器之间的接口 （P145 图5-1） 三种信号线,5.1 .2 设备控制器,设备控制器 是处于CPU与I/

4、O设备之间的接口，接收CPU发来的命令，并控制I /O设备工作，是一个可编址设备。 功能：接收和识别命令、实现数据交换、了解设备状态以及识别设备地址。 设备控制器的组成 设备控制器与处理机的接口 设备控制器与设备接口 I/O逻辑 寄存器：控制寄存器(存放命令及参数)、数据寄存器(存放数据)、状态寄存器(记录设备状态).,设备控制器的组成,5.1 .3 I/O 通道,根据信息交换方式的不同，通道可分成以下几种类型： 字节多路通道 数组选择通道 数组多路通道 注：“瓶颈”问题,字节多路通道,其工作原理: 数据传送是按字节交叉方式工作。 1)有一个主通道。 2)含有多个子通道A、B、C 3)每子通道

5、通过一控制器与一台中/低速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按字节交叉使用主通道。 优点：可连多台中/低速设备；能分时并行操作。 缺点：传输率较低。,数组选择通道,数据传送是按成组方式进行工作，每次传输一批数据。主要用于连接高速I/O设备。 1)有一个主通道 2)含有多个子通道A、B、C 3)每子通道通过一控制器与一台中/低速的I/O设备相连，在一段时间内只能选择一个子通道程序执行。 优点：可连多台高速设备；传输率较高。 缺点：某子通道不传数据，而使主通道闲置，其它子通道也不能传数据。所以通道的利用率很低。,数组多路通道,数据传送仍是按数组方式工作。 工

6、作原理（结合两者：并行+数组） 1)有一个主通道 2)含有多个子通道A、B、C 3)每子通道通过一控制器与一台高/中速的I/O设备相连，可同时并行向主通道传数据。 4)各子通道以时间片轮转方式按数组方式使用主通道。 优点：可连多台高/中速设备；能分时并行操作，传输率较高。,“瓶颈”问题,单通路I/O系统,解决“瓶颈”问题的方法-多路方式,通道2,多通路I/O系统,5.1 .5 I/O 系统的结构,5.2 I/O 控制方式,常用的输入/输出控制方式： 1、程序控制方式 2、中断控制方式 3、直接存储器访问DMA方式 4、通道控制方式,1、程序直接控制方式,处理机对I/O的控制采用程序直接控制方式

7、 。 工作原理： 主程序,设备是否 “准备就绪”,传送数据,否,特点：控制简单，但CPU的利用率低（串行），出现忙等待（循环等待设备的I/O操作）-即轮询（Polling）问题-I/O中断,继续主程序,控制设备状态的控制位 1）command-ready （等待命令） 2）Busy（忙） 3）Error（错误）,2、中断控制方式,）需数据的进程向CPU发出指令启动I/O设备输入数据。 ）该进程放弃处理机，等待输入完成。 ）输入完成后，I/O控制器向CPU发出中断请求，CPU收到后，转向中断服务程序。中断服务程序将数据输入寄存器中的数据送指定内存单元，并将原进程唤醒，继续执行。 ）在以后，该进程

8、再被调度，从内存单元取出数据进行处理。 优点CPU利用率大大提高（可以与I/O设备并行工作）。 缺点-若中断次数较多将耗去大量CPU处理时间。,3、DMA方式,1）需数据的进程向CPU发出指令,向DMA控制器写入数据存放的内存始址、传送的字节数,并置中断位和启动位,启动I/O设备输入数据并允许中断。 2）该进程放弃处理机等待输入完成，处理机被其它进程占据。 3）DMA控制器采用挪用CPU周期，将一批数据写入内存中。 4）DMA控制器传送完数据后，向CPU发中断请求，CPU响应后转向中断服务程序，唤醒进程，并返回被中断程序。 5）在以后该进程再被调度，从内存单元取出数据进行处理。 优点CPU利用

9、率进一步提高（并行度有所提高）。 缺点数据传送方向、字节数、内存地址等需由CPU控制，且每一设备需一台DMA控制器，设备增多时，不经济。,4、通道控制方式,1）需数据的进程向CPU发出指令，CPU发启动指令指明I/O操作、设备号和对应的通道。 2）该进程放弃CPU等待输入完成，CPU被其它进程占据。 3）通道接收到CPU发来的启动指令后，取出内存中的通道程序执行，控制设备将数据传送到内存指定区域。 4）传送完数据后，通道向CPU发中断请求，CPU响应后转向中断服务程序，唤醒进程，并返回被中断程序。 5）在以后该进程再被调度，从内存取出数据进行处理。 优点一个通道可控制多设备，所需CPU干预更少

10、。 CPU利用率较高（并行度较高）。 缺点：通道价格较高。,5.3 缓冲管理,1、提高处理机与I/O设备的并行工作的技术： ） 数据传送控制方式 ） 缓冲技术 2、操作系统中，引入缓冲的主要原因 1）缓冲CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾。 2）减少中断CPU的次数、 3）提高CPU与I/O设备的并行性 3、缓冲实现方法两种： 1）采用硬件缓冲器实现 2）用软件缓冲区来实现,缓冲就是用来对数据传送速度不同的设备的传送速度进行匹配/缓冲的一种常用手段。其实现方法除在关键地方可采用硬件缓冲器外，大都采用软件缓冲来实现。软件缓冲区是指在I/O操作期间，专门用来临时存放输入/输出数据的一块存储区域。

11、 4、缓冲技术的分类 单缓冲 双缓冲 循环缓冲 缓冲池,5.3 缓冲管理,单 缓 冲,在设备和处理机之间设置一个缓冲。设备与处理机交换数据时，先把交换的数据写入缓冲区，然后需要数据的设备/处理机再从缓冲区中取走数据。 特点：缓冲区数只有一个；设备与处理机对缓冲区的操作是串行的。,一块数据的处理时间,在某系统中，从磁盘将一块数据输入到缓冲区需要花费的时间T，CPU对一块数据进行处理的时间为C，将缓冲区的数据传送到用户区所花时间为M，那么在单缓冲情况下，系统处理大量数据时，一块数据的处理时间为多少？,T,M,C,Max(T,C)+MP156 图5-11,双 缓 冲,在设备和处理机之间设置2个缓冲。

12、设备与处理机交换数据时，先把交换的数据写入缓冲区，然后需要数据的设备/处理机再从缓冲区中取走数据。因缓冲区有2个，提高了设备与处理机并行操作的程度，只有当两个均为空时，需数据的进程才等待。 特点：缓冲区数有2个；设备与处理机对缓冲区的操作可并行，提高了设备与处理机并行操作的程度。,一块数据的处理时间,在某系统中，从磁盘将一块数据输入到缓冲区需要花费的时间T，CPU对一块数据进行处理的时间为C，将缓冲区的数据传送到用户区所花时间为M，那么在双缓冲情况下，系统处理大量数据时，一块数据的处理时间为多少？,T,M,C,当CT ：C+M即MAX（C，T）+M 当CT ： MAX（C，T） 图5-12,用

13、户进程,操作系统,传送,输入,I/O设备,循 环 缓 冲,在设备和处理机之间设置多个大小相等的缓冲区，这些缓冲区构成环形，每一个缓冲区中含一指针指向下一个缓冲区，最后一个指向第一个缓冲区，同时还含有2个用于输入/输出的指针IN和OUT。 特点：缓冲区数有多个；设备与处理机对缓冲区的操作可并行，进一步提高了设备与处理机并行操作的程度。,循环缓冲的组成,循 环 缓 冲,缓冲区的使用 Getbuf过程 Releasebuf过程 进程同步 Nexti指针追赶上Nextg指针输入进程阻塞 Nextg指针追赶上Nexti指针计算进程阻塞,1、缓冲池：将系统内所有的缓冲区统一管理起来，就形成了能用于输入/输

14、出的缓冲池。缓冲池通常由若干大小相同的缓冲区组成，是系统的公用资源，任何进程都可以申请使用缓冲池 中的各个缓冲区。 2、缓冲池的组成（数据结构） 三个队列：空缓冲队列、装满输入数据队列、装满输出数据队列 四个工作缓冲区： 收容输入缓冲区、提取输入 收容输出、提取输出缓冲区,缓 冲 池,3、getbuf过程和putbuf过程 Procedure Getbuf(type) begin wait(rs(type); wait(ms(type); B(number):=Takebuf(type); signal(ms(type); end,缓 冲 池,Procedure putbuf(type) be

15、gin wait(ms(type); Addbuf(type,number); signal(ms(type); signal(rs(type); end,4、操作系统对缓冲池的管理-工作方式,输入进程需要输入数据时：输入设备 收容输入缓冲区-Getbuf(emq) 1)从空缓冲队列的队首取一空缓冲区用作收容输入缓冲区 2)输入设备将数据输入收容输入缓冲区并装满 3)将此缓冲区挂到装满输入数据队列队尾。 计算进程需要输入数据时：提取输入缓冲区 CPU -Getbuf(inq) 1)从装满输入数据队列队首取一满缓冲区用作提取输入缓冲区 2)CPU从提取输入缓冲区中取出数据至用完 3)将空缓冲区挂到空缓冲队列队尾。,4、操作系统对缓冲池的管理-工作方式,计算进程需要输出数据时：CPU 收容输出缓冲区-getbuf(emq) 1)从空缓冲队列队首取一空缓冲区用作收容输出缓冲区 2)CPU将数据输入其中并装满 3)将收容输出缓冲区挂到装满输出数据队列队尾。 输出进程需要输出数据时：提取输出缓冲区- 输出设备-getbuf(outq) 1)从装满输出数据队列队首取一满缓冲区用作提取输出缓冲区 2)输出设备从中取出数据至用