System设备管理课件

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1、第八章 外部设备管理,8.1 引言 8.2 缓冲技术 8.3 设备分配 8.4 设备控制 8.5 磁盘设备管理,外设的特点： 种类多 差异大(控制和速度) 外设管理目的包括： 外设资源的控制 外设资源的共享 提高外设资源的利用率。,8.1 引言,8.1.1 外部设备类型和特征 8.1.2 设备的I/O控制技术 8.1.3 外设管理的目的和功能 8.1.4 外设管理结构,返回,8.1.1 外部设备类型和特征,人机交互设备：视频显示设备、键盘、鼠标、打印机 与计算机或其他电子设备交互的设备：磁盘、磁带、传感器、控制器 计算机间的通信设备：网卡、调制解调器,返回,1. 按交互对象分类,输入（可读）：

2、键盘、扫描仪 输出（可写）：显示设备、打印机 输入/输出（可读写）：磁盘、网卡,2. 按交互方向分类,3. 按外设特性分类,使用特征：存储、输入/输出、终端 数据传输率：低速(如键盘)、中速(如打印机)、高速(如网卡、磁盘) 信息组织特征：单个字符或数据块 字符设备(如打印机) 块设备(如磁盘),4. 按外设分配方式分类,独占设备：任何时刻只能被一个用户使用，如终端、绘图仪、打印机等。 共享设备：可以同时（或宏观同时）被多个用户使用。一般容量大、数度快，如硬盘。,8.1.2 设备的I/O控制技术,返回,1. 程序控制I/O(programmed I/O),也称循环测试方式。I/O操作由程序发起

3、，并等待操作完成，其中程序直接从设备控制器中的数据缓冲寄存器中存取数据。数据的每次读写通过CPU。 缺点：在外设进行数据处理时，CPU只能等待。,2. 中断驱动方式(interrupt-driven I/O),I/O操作由程序发起，在操作完成时（如数据可读或已经写入，在此之前，该程序可进入等待状态或继续执行）由外设向CPU发出中断，通知该程序。数据的每次读写通过CPU。 优点：在外设进行数据处理时，CPU不必等待，可以继续执行该程序或其他程序。 缺点：CPU每次处理的数据量少（通常不超过几个字节：从设备控制器中的数据缓冲寄存器中存取数据），只适于数据传输率较低的设备。另外， I/O操作频繁，有

4、可能丢失中断信号。,3. 直接存储访问方式(DMA, Direct Memory Access),由程序设置DMA控制器中的若干寄存器值（如内存始址，传送字节数），然后发起I/O操作，而由后者完成内存与外设的成批数据交换，在操作完成时由DMA控制器向CPU发出中断。 优点：CPU只需干预I/O操作的开始和结束，而其中的数据读写无需CPU控制， CPU与DMA控制器并行工作。适于高速设备。 缺点：功能比较简单，不能完成较复杂的要求。,DMA方式下的I/O控制器结构,中断方式和DMA方式的区别,中断方式在数据缓冲寄存器满时发中断请求，而DMA方式在数据全部传送完时发中断请求。 中断方式中，数据从数

5、据缓冲寄存器到内存是CPU在进行中断处理时完成的。而DMA方式数据是直接在DMA控制下完成的。,4. 通道控制方式(channel control),选择通道(selector channel)：可以连接多个外设，而一次只能访问其中一个外设。 多路通道( multiplexer channel)：可以并发访问多个外设。分为字节多路(byte)和数组多路(block)通道。,通道控制器(Channel Processor)有自己的专用存储器，可以执行由通道指令组成的通道程序，因此可以进行较为复杂的I/O控制，如网卡上信道访问控制。通道程序通常由操作系统所构造，放在内存里。 优点：执行一个通道程序

6、可以完成几批I/O操作。,8.1.3 外设管理的目的和功能,提高效率：提高I/O访问效率，匹配CPU和多种不同处理速度的外设 方便使用：方便用户使用，对不同类型的设备统一使用方法，协调对设备的并发使用 方便控制：方便OS内部对设备的控制：增加和删除设备，适应新的设备类型,返回,1. 外设管理目的,2. 外设管理功能,提供设备使用的用户接口：命令接口和编程接口 设备分配和释放：使用设备前，需要分配设备和相应的通道、控制器。 设备的访问和控制：包括并发访问和差错处理。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率,8.1.4 外设管理结构,返回,逻辑I/O：逻辑设备(也称为虚拟设备)实体，不涉及实际

7、的设备控制； 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, Write。 针对通信设备，则是通信体系结构如网络协议栈； 针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结构控制； 设备I/O：逻辑设备与物理设备间的过渡协调机构。 用户命令到设备操作序列的转换 I/O缓冲：提高I/O效率。 调度和控制：物理设备控制实体；直接面对硬件设备的控制细节。这部分通常体现为设备驱动程序。 并发I/O访问调度 设备控制和状态维护 中断处理,8.2 缓冲技术,返回,1. 引入缓冲技术的目的,缓冲技术可提高外设利用率，尽可能使外设处于忙状态；但有一个限制：进程的I/O请求不能超过外设的处理能力。,匹

8、配CPU或用户应用进程与外设的不同处理速度 减少对CPU的中断次数，提高CPU和I/O设备之间以及各个I/O设备之间的处理并行性。因此，缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设。这些在不同位置的缓冲区组合在一起，构成多级缓冲机制。,2. 单方向缓冲,单缓冲(single buffer)：一个缓冲区，CPU和外设轮流使用，一方处理完之后接着等待对方处理。 双缓冲(double buffer)：两个缓冲区，CPU和外设都可以连续处理而无需等待对方。要求CPU和外设的速度相近。 环形缓冲(circular buffer)：多个缓冲区，CPU和外设的处理速度可以相差较大。,3. 缓冲池(buffer po

9、ol),缓冲区队列：三种：空闲缓冲区，输入缓冲区，输出缓冲区 操作：四种：设备输入，CPU读入，设备输出，CPU写出。上述操作访问各个缓冲区队列时，需要进行相应的互斥操作。,这是一种双方向缓冲技术；缓冲区整体利用率高。,8.3 设备分配,8.3.1 设备分配数据结构 8.3.2 设备分配原则 8.3.3 假脱机技术,返回,由于外设资源的有限，需解决进程间的外设共享问题，以提高外设资源的利用率。设备分配是对进程使用外设过程的管理。这里有两种作法：1)在进程间切换使用外设，如键盘和鼠标；2)通过一个虚拟设备把外设与应用进程隔开，只通过虚拟设备来使用设备。,8.3.1 设备分配数据结构,设备控制表(

10、DCT, Device Control Table)：每个设备一张，描述设备特性和状态。反映设备的特性、设备和控制器的连接情况。DCT的内容主要包括： 设备标识：用来区别不同的设备； 设备类型：反映设备的特性；如：块设备或字符设备； 设备配置：I/O地址等； 设备状态：工作或空闲状态； 等待队列：等待使用该设备的进程队列；,返回,系统设备表(SDT, System Device Table)：系统内一张，反映系统中设备资源的状态，记录所有设备的状态及其设备控制表的入口。SDT表项的主要组成： DCT指针：指向相应设备的DCT； 设备使用进程标识：正在使用该设备的进程标识； DCT信息：为引用方

11、便而保存的DCT信息，如：设备标识、设备类型等； 控制器控制表(COCT, COntroller Control Table)：每个设备控制器一张，描述I/O控制器的配置和状态。如DMA控制器所占用的中断号、DMA数据通道的分配。 通道控制表(CHCT, CHannel Control Table)：每个通道一张，描述通道工作状态。,返回,8.3.2 设备分配原则,与设备分配有关的设备属性： 独享设备：打印机等； 共享设备：磁盘、网卡等； 设备分配方式：各有优缺点 静态分配：在进程分创建时分配，在进程退出时释放； 不会出现死锁； 设备利用率不高； 动态分配：在进程执行过程中根据需要分配，使用结

12、束后释放； 需要考虑死锁问题 有利于提高设备利用率,返回,设备分配的原则是合理使用外设(公平和避免死锁)，提高设备利用率。,动态分配策略：针对特定的设备采用特定的分配策略。 先来先服务(FCFS)：按I/O请求的先后顺序，排成I/O请求命令队列；按FCFS分配设备； 基于优先级：依据进程的优先级，指定I/O请求的优先级，排成不同优先级队列；按优先级高低分配设备；,8.3.3 假脱机技术,引入：在多道批处理系统中，专门利用一道程序（SPOOLing程序）来完成对设备的I/O操作。无需使用外围I/O处理机。,返回,利用假脱机技术(SPOOLing, Simultaneous Peripheral

13、Operation On Line, 也称为虚拟设备技术)可把独享设备转变成具有共享特征的虚拟设备，从而提高设备利用率。,假脱机的原理： SPOOLing程序和外设进行数据交换，可以称为“实际I/O”。一方面，SPOOLing程序预先从外设输入数据并加以缓冲(放在输入井中)，在以后需要的时候输入到应用程序；另一方面，SPOOLing程序接受应用程序的输出数据并加以缓冲(放在输出井中) ，在以后适当的时候输出到外设。 应用程序进行I/O操作时，只是和SPOOLing程序交换数据，可以称为虚拟I/O。这时虚拟I/O实际上是从SPOOLing程序的缓冲池中读出数据或把数据送入缓冲池，而不是跟实际的外

14、设进行I/O操作。,优点： 高速虚拟I/O操作：应用程序的虚拟I/O比实际I/O速度提高，缩短应用程序的执行时间。另一方面，程序的虚拟I/O操作时间和实际I/O操作时间分离开来。 实现对独享设备的共享：由SPOOLing程序提供虚拟设备，可以对独享设备依次共享使用。 举例：打印机设备和可由打印机管理器管理的打印作业队列。 如：Windows NT中，应用程序直接向针式打印机输出需要15分钟，而向打印作业队列输出只需要1分钟，此后用户可以关闭应用程序而转入其他工作，在以后适当的时候由打印机管理器完成15分钟的打印输出而无需用户干预。,8.4 设备控制,8.4.1 设备的控制过程 8.4.2 设备

15、控制过程的实现方式 8.4.3 设备驱动程序,返回,8.4.1 设备的控制过程,转换：将抽象的命令转换为具体的一定次序的指令 合法性检查：检查I/O操作请求的合法性 可用性检查：检查控制器和设备的状态，判断是否可用 参数设置：设置控制器和设备的参数，包括构造必要的通道程序 启动I/O：向控制器或设备发起I/O操作 中断处理：提供必要的中断处理例程，以便I/O完成时调用,返回,依据用户的控制命令对外设进行控制，并返回结果。控制过程可分为以下6步：,8.4.2 设备控制过程的实现方式,作为应用进程的一部分执行：与程序控制I/O方式相对应。 作为系统进程执行：每类设备一个进程，或整个系统一个进程处理

16、各类设备。 不设进程，作为OS核心中的设备驱动程序，也是最常用的方式。其工作流程如下图所示：,返回,8.4.3 设备驱动程序,中转数据和控制：不是数据和控制的源端和目的端（应用程序和设备） 与硬件特性密切相关：通常由硬件厂商提供。 向上屏蔽设备细节：不同类型设备通常其设备驱动程序接口不同，同类设备的接口相同。因此，同类设备的不同型号，只要更换设备驱动程序则可由OS使用。,返回,驱动程序是I/O处理功能的低级系统例程。它具有如下特征：,8.5 磁盘设备管理,8.5.1 磁盘I/O访问时间的组成 8.5.2 磁盘I/O调度策略,返回,CPU和内存的访问速度比磁盘要快若干个数量级，磁盘系统的性能对整个系统的性能有重要影响，磁盘设备管理的目标就是提高磁盘系统的性能。,8.5.1 磁盘I/O访问时间的组成,盘块的地址：柱面号，磁头号，扇区号 柱面定位时间：磁头移动到指定柱面的机械运动时间；机械运动，花费时间最多。 旋转延迟时间：磁盘旋转到指定扇区的机械运动时间；它与磁盘转速相关，如：软盘转速可为600rpm(每分钟转速)，硬盘可为3600rpm。 数据传送时间：从指定扇区读写数据的时间。,返回,