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1、CH5 设备管理,设备管理管理的是计算机系统的重要资源，用户无权直接使用。 设备管理的一个重要任务：是按照一定的算法在各进程间调度和分配设备。 另外，设备管理还要按照用户要求启动具体设备，完成数据传输操作，并且处理设备的中断。 还有，如何利用虚拟技术使独享设备“变为”共享设备，使一台物理设备“变为”多台逻辑设备。,5.1 设备管理概述,一、设备管理的分类,1. 按从属关系分类 系统设备：指在操作系统生成时已经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：指操作系统生成时未登记入系统的非标准设备。如鼠标、绘图仪、扫描仪等。,2. 按传输速率分类 低速、中速、高速设备（指传输速率）
2、,3. 按使用特性分类 存储设备、I/O设备,二、设备管理的功能,（1）设备分配和回收。按照设备类型和相应的分配算法决定将I/O设备分配给哪一要求使用该设备的进程。凡未分配到所需设备的进程被放入一个等待队列。 （2）设备处理。设备处理程序实现CPU和设备控制器之间的通信。即当CPU向设备控制器发出I/O指令时，设备处理程序应启动设备进行I/O操作，并能对设备发来的中断请求作出及时的响应和处理。 （3）实现其他功能。 包括对缓冲区的管理功能及实现设备独立性。,三、设备管理的目标,（1）提高设备的利用率。 应尽量提高CPU与I/O设备之间的并行操作程度，主要利用的技术有：中断技术、DMA技术、通道
3、技术和缓冲技术。 （2）为用户提供方便、统一的界面。 所谓方便，是指用户能独立于具体设备的复杂物理特性之外而方便使用设备。所谓统一，是指对不同的设备尽量使用统一的操作方式，例如各种字符设备用一种I/O操作方式。这就要求用户操作的是简便的逻辑设备，而具体的I/O物理设备有操作系统去实现，这种性能常常被称为设备的独立性。,5.2 设备I/O方式,1、询问（Query）:询问方式又称程序直接控制方式，在这种方式下，输入输出指令或询问指令测试一台设备的忙闲标志位，决定主存储器和外围设备是否交换一个字符或一个字。实时系统中必需采用，在一般简单系统中也广泛采用，但系统开销较大。 CPU和I/O设备串行工作
4、，每次进行输入输出工作，都需要由主机CPU干预；,2、中断（interrupt）:CPU启动I/O设备后，不必查询I/O设备是否就绪，继续执行现行程序，直到在启动指令后的某条指令，响应了I/O中断请求，CPU才转至I/O中断处理程序执行。中断工作主要由中断请求、中断响应和中断服务处理组成。“中断”的产生使管理工作更能“自动化”。 I/O操作直接由CPU控制，每传送一个字符或字，要发生一次中断，仍然消耗大量CPU时间。,医生查房（“询问”），以便及时掌握病情。病床旁红灯是紧急请求医生的按钮（“中断请求”）。常规医疗处理医生委托护士（“硬通道”）去做。但护士只有执行权而无修改权。,4、通道（Cha
5、nnel）：又称输入输出处理器。完成主存和外设之间的信息传送，与CPU并行工作，解决了输入输出操作的独立性和各部件工作的并行性。当输入输出操作完成，通道发出操作结束中断时，CPU才停止当前工作，转向处理输入输出操作结束事件。,3、DMA(Direct Memory Access):直接存储器存取方式。主存和I/O设备之间有一条数据通路,I/O设备能直接与主存交换数据而不占用CPU，实际操作直接由DMA完成。 CPU的利用率进一步提高。,DMA方式与中断方式比较,(1)中断方式下, CPU需要执行多条指令，占用一定的时间；而DMA传送1个字节只占用CPU的1个总线周期，占用CPU的时间少。 (2
6、)DMA的响应速度比中断快。IO设备发出中断请求后，CPU要执行完当前指令后才给予响应，而DMA请求是在总线周期执行完后即可响应。 (3)对于快速的IO设备，中断方式，其传输速度已无法满足要求。必须采用DMA方式来完成快速IO设备的数据传送的操作。,通道技术,1.通道的定义： 通道（Channel）是独立于CPU的专门负责数据输入/输出传输工作的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对输入/输出操作进行控制，从而使输入，输出操作可与CPU并行操作。,2.引入通道的目的 为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力。主要目的是启动外设时：a.提高
7、了控制器效率 b.提高可靠性 c.提高并行度。,附.设备控制器： I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件，电子部件称为设备控制器或适配器，在PC中它通常是一块插入主板扩充槽的印刷电路板。,4.通道工作原理 通道相当于一个功能简单的处理机，包含通道指令（空操作，读操作，写操作，控制，转移操作），并可执行用这些指令编写的通道程序。 （P397）,3.通道的功能：执行通道程序，向控制器发出命令，并具有向CPU发中断信号的功能。 一旦CPU发出指令，启动通道，则通道独立于CPU工作。一个通道可连接多个控制器，一个控制器可连接多个设备，形成树形交叉连接,设备驱动程序,设备驱动程序包括与设备相关的代
8、码，它的工作是： 把用户提交的逻辑I/O请求转化为物理I/O操作的启动和执行，如设备名转化为端口地址、逻辑记录转化为物理记录、逻辑操作转化为物理操作等。,设备驱动程序从与设备无关的软件中接收抽象的I/O请求，并执行之。如果请求到来时驱动程序空闲，则立即执行。如果它正在处理另一条请求，它将该请求挂在等待队列中。 设备的打开、关闭、读、写等操作是由设备驱动程序完成的。,5.3 缓冲技术,一、缓冲技术的基本思想： 缓冲技术好比水库 在CPU和外设之间设立缓冲区，用以暂存CPU和外设之间交换的数据，从而缓和CPU与外设速度不匹配所产生的矛盾。 凡是数据到达和离去速度不匹配的地方均可采用缓冲技术。在操作
9、系统中采用缓冲是为了实现数据的I/O操作，以缓解CPU与外部设备之间速度不匹配的矛盾，提高资源利用率。,（1）改善CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾,例如，通常的程序都是时而时而输出。若没有缓冲，则程序在输出数据时，必然会由于打印机的速度跟不上CPU，而使得CPU长时间地等待。 在计算阶段，打印机又空闲无事。 在打印机或控制区中设置一缓冲区，用来快速暂存程序输出的数据，以后再由打印机慢慢的从中取出数据打印。 这样就实现了CPU与I/O设备之间的并行工作。,(2)减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制 如果I/O操作每传送1B就要产生一次中断，那么设置了n个字节的缓冲区后，则可以等到
10、缓冲区满才产生中断，这样中断次数就减少到1/n，而且中断响应的时间也可以相应地放宽。 (3)提高CPU和I/O设备之间的并行性 缓冲的引入可显著提高CPU和设备的并行操作程度，提高系统的吞吐量和设备的利用率。,二、缓冲技术的分类,1、单缓冲 单缓冲是操作系统提供的最简单的一种缓冲形式。每当一个进程发出一个I/O请求时，操作系统便在主存中为之分配一缓冲区，该缓冲区用来临时存放输入/输出数据。 2、双缓冲 在双缓冲方案中，具体的做法是为输入或输出操作设置两个缓冲区buffer1和buffer2。该方式能进一步提高CPU和外设的并行程度，并能使输入设备和输出设备并行工作，但是在实际系统中很少采用这一
11、方式。 3、多缓冲 又称环形缓冲，环形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，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲区的指针，最后一个缓冲区的指针指向第一个缓冲区，这样n个缓冲区就成了一个环形。此外，系统中有个缓冲区链首指针指向第一个缓冲区。 4、缓冲池 从自由主存中分配一组缓冲区即可构成缓冲池。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。,5.4 驱动调度技术,作为辅存，磁盘是一类大容量高速旋转的存储设备，在繁重的输入输出负载下，同时会有若干个输入输出请求来到并等待处理，系统必须采用一种调度策略，使能按最佳次序执行要
12、访问的诸请求，这就叫驱动调度。 驱动调度能减少为若干输入输出请求服务所需的总时间，从而提高系统效率。,一、驱动调度,二、磁盘设备管理,1、磁盘结构 一般：硬盘、软盘、单片盘和多片盘固定头磁盘、移动头磁盘固定头磁盘：是指盘面上的每一条磁道都有一个读写头，固定头磁盘由于成本较高而较少使用。 移动头磁盘：是指每个盘面只有一个读/写磁头，每执行一次盘的操作都须先移动磁头，使其对准所要找的磁道，这称为寻找操作。 通常在计算机系统中所说的磁盘，是由若干片盘所组成的磁盘迭，各盘片均安装在一个高速旋转的枢轴。读写头安装在移动臂上，移动臂可沿盘半径方向移动。,磁盘结构示意图,2、磁盘物理记录访问需要的三个参数,
13、（1）柱面号 随着臂的移动，各盘面所有的读写头同时移动，并定位在同样的垂直位置的磁道上，这些磁道形成了一个柱面。通常由外向里给各柱面依次编以顺序号，0，1，2，。 （2）磁头号 将一个磁盘迭的全部有效盘面从上至下依次编以顺序号，0，1，2，称为磁头号，因此盘面号与磁头号是相对的。 （3）扇区号（块号） 将各磁道分成若干个大小相等的扇区，并编以序号0，1，2，。,3、扇区是磁盘存储和传送信息的基本单位,要在磁盘上访问一个扇区，必须给出其柱面号、磁头号和扇区号，这样才能准确地定位要访问的扇区，这称为扇区的物理地址，即物理扇区号。由物理扇区号表示的扇区称为绝对扇区。为了方便，操作系统通常将其转变为逻
14、辑扇区号加以管理。 编址方式为：在磁道上按扇区号增加，在柱面上按磁道号增加，对整个磁道从柱面0到最后一个柱面增加。 例如，每磁道扇区数为S，每个柱面的磁道数为T，那么可将柱面号为i，磁头号为j，扇区号为k的物理扇区转换为逻辑扇区号为：b=k+S*(T*i+j)。,4. 磁盘类型,1) 固定头磁盘 这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，所有的磁头都被装在一刚性磁臂中。通过这些磁头可访问所有各磁道，并进行并行读/写，有效地提高了磁盘的I/O速度。 这种结构的磁盘主要用于大容量磁盘上。 2) 移动头磁盘 每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上的所有磁道，该磁头必须能移动以进行寻道
15、。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但由于其结构简单， 故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,5.磁盘访问,1) 寻道时间Ts 这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历的时间。该时间是启动磁臂的时间s与磁头移动n条磁道所花费的时间之和， 即 Ts=mn+s 寻道时间将随寻道距离的增加而增大， 大体上是530 ms。 2) 旋转延迟时间T 这是指定扇区移动到磁头下面所经历的时间。对于硬盘，典型的旋转速度大多为5400 r/min，每转需时11.1 ms，平均旋转延迟时间T为5.55 ms；,3) 传输时间Tt 这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历的时间。 Tt的大小
16、与每次所读/写的字节数b和旋转速度有关：,其中，r为磁盘每秒钟的转数；N为一条磁道上的字节数，,6、磁盘引臂调度,1、“先来先服务”算法-FCFS 按照请求访问者到来的先后顺序为请求访问者服务，该算法简单，但由于移臂来回移动，增加了执行信息传输操作的时间。,2、“最短查找时间优先”算法-SSTF本算法考虑了各个请求之间的区别，总是先执行查找时间最短的那个磁盘请求，从而，较“先来先服务”算法有较好的寻道性能。,SSTF算法虽然能获得较好的寻道性能， 但却可能导致某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不断有新进程的请求到达， 且其所要访问的磁道与磁头当前所在磁道的距离较近，这种新进程的I/O请求必须优先满足。,3、SCAN算法,也称电梯调度算法 磁盘臂每次沿一个方向移动，扫过所有柱面，遇到最近的I/O请求便进行处理，直到最后一个柱面后，再向相反方向移动回来。 磁头双向移动,4. 循环扫描(CSCAN)算法,磁盘臂每次沿一个方向移动，扫过所有柱面，遇到最近的I/O请求便进行处理，直到最后一个柱
