IO设备的多样性培训资料

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1、1,第13章 I/O系统,I/O设备的多样性 Os管理和控制 I/O操作和I/O设备。,2,13.1 I/O管理概述,外设管理目的 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 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（虚拟设备）。 I/O缓冲和调度：目标是提高I/O访问效率,3,按交互对象分类 人机交互设备：

2、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 按交互方向分类 输入（可读）：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 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)：通常的输入输出型设备，以字符为单位存储、传输信息；不可寻址 块设备(如磁盘)：以数据块为单位存储、传输信息。可寻址,13.1 I/O管理外部设备类型和特征,4,按资源分配角度分类 独占

3、设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高。如硬盘 虚拟设备 在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚设备（实例：SPOOLing技术） 从程序使用角度分 逻辑设备: 用户程序中使用的设备 物理设备：实际完成I/O操作的设备,13.1 I/O管理外部设备类型和特征,5,13.2 I/O控制技术,程序控制I/O（轮询）：CPU代表进程给I/O模块发送一个命令，CPU进入忙等待（输入输出完全由CPU控制）

4、 中断驱动I/O： CPU代表进程给I/O模块发送一个命令，然后CPU继续执行后续指令; 当I/O模块完成后，CPU被该模块（CPU和I/O设备可以共同工作）中断。 直接存储器存取(DMA)：CPU给DMA模块发请求，只有当DMA将整个数据块传送结束后，CPU才被中断（数据在内存和外设之间传输时不需要CPU干预）。,6,设备绝对号和相对号,设备绝对号：计算机系统为每一台设备确定的编号，用来区分和识别设备； 用户在编写程序时不能通过设备的绝对编号来使用设备 设备类型号：操作系统为每类设备规定的一个编号 设备相对号：用户自己规定的所用的同类设备中的第几台。 如Unix中，rfd0和rfd1分别表示

5、第1个和第2个软盘驱动器；,7,设备绝对号和相对号,设备的指定方式 设备绝对号 设备类型号+设备相对号 用户程序中提出使用设备的申请时，使用系统规定的设备类型号和用户自己规定的设备相对号，由操作系统进行地址转换，变成系统中的设备绝对号；,8,I/O软件的设计目标： 效率：大多数I/O设备慢，I/O操作一般是系统瓶颈，很大程度上影响系统的性能和吞吐量。因此要改善I/O的有效性，采用多道程序设计、交换。目前比较关注磁盘I/O。 通用性：设备种类、特点和性能千差万别；要求能够以一种一致的方式来管理所有设备一致的外部接口，很难做到通用，但希望能够用统一的方法处理所有设备，用一种层次化的，模块化的方法设

6、计I/O功能。 能够在低层例程中隐藏大部分设备I/O的细节， 使得用户进程和OS高层可以通过一些通用的功能，如读、写、打开、关闭等查看I/O设备。 设备独立性。用户在编写使用软盘或硬盘上文件的程序时，无需为不同的设备类型而修改程序就可以使用 统一命名。一个文件或一个设备的名字只应是一个简单的字符串或一个整数，不应依赖于设备,13.3 设备管理系统的组织,9,设备独立性,如果用户程序中直接使用真实的物理设备，那么会出现这样的问题：用户指定的设备因故障不能使用，或者该设备正忙于为其他进程服务，只有等待或者修改程序，重新指定设备。 为了实现用户程序与物理设备的无关性，在用户程序中不要直接使用物理设备

7、名（或者设备的物理地址），而只能使用逻辑设备名。逻辑设备是实际物理设备的抽象，它不限于某类具体设备。逻辑设备究竟和哪一个具体的物理设备相对应，还要由系统根据当时的设备忙、闲情况来决定或者由系统管理员指定。,10,IO软件的基本思想是按分层的思想构成: 较低层软件要使较高层软件独立于硬件的特性， 较高层软件则要向用户提供一个友好的、清晰的、简单的、功能更强的接口,13.3 设备管理系统的组织,11,13.3 设备管理分层模型,12,逻辑I/O：将设备当作一个逻辑资源，不涉及实际的设备控制的细节: 针对用户接口，提供抽象的命令，如：Open, Close, Read, 针对通信设备，则是通信体系结

8、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。请求的操作和数据被转换成适当的I/O指令序列、通道命令和控制器指令。可以用I/O缓冲提高I/O效率 调度和控制：是I/O模块和设备硬件真正发生交互的软件层，直接面对硬件设备的控制细节。如I/O操作的排队，设备控制和状态维护、中断处理。这部分通常体现为设备驱动程序；,13.3 设备管理分层模型,13,进行I/O调用，格式化I/O; Spooling,命名，保护，阻塞，缓冲，分配,建立设备寄存器；检查状态,当I/O结束时，唤醒驱动器,执行I/O操作,I/O系

9、统的层次结构及每层的主要功能,14,用户进程层执行输入输出系统调用，对I/O数据进行格式化 独立于设备的软件实现设备的命名、设备的保护、成块处理、缓冲技术和设备分配；(逻辑I/O) 设备驱动程序设置设备寄存器、检查设备的执行状态 中断处理程序负责IO完成时，唤醒设备驱动程序进程，进行中断处理 硬件层实现物理IO的操作,I/O系统的层次结构及每层的主要功能,15,练习题,描述设备管理软件的层次结构，并说明以下的工作各在I/0软件层次的哪一层？ 维护一个最近使用的块的缓冲。 为一个磁盘读操作计算磁道、扇区、磁头。 向设备寄存器写命令。 设备保护 各类I/O库函数,16,缓冲技术的基本思想：在CPU

10、和外设之间设置缓冲区，用于暂存CPU与外设之间交换的数据，从而缓和CPU与外设速度不匹配的矛盾。 缓冲区所在的位置：内存，控制器或外设（多级缓冲机制） 硬件缓冲，如I/O控制器中的数据缓冲寄存器 软件缓冲：在内存画出一个具有n个单元的专用缓冲区。 根据方向：分为输入缓冲和输出缓冲 根据用途：分为专用缓存（为一个设备独占，如键盘缓存）和公用缓存（为多个设备公用）,缓冲区,CPU,外设,13.4 缓冲,17,13.4 缓冲,无缓冲时问题分析：设备直接向进程地址空间传送数据(如用户从磁带中读数据块的操作），则进程要么忙等待，要么阻塞。 如果用忙等待方式，则浪费大量CPU时间； 如果是阻塞方式，则进程

11、阻塞在设备的I/O请求队列中。这时，不能将进程全部换出，还可能出现单进程死锁。（进程在等待I/O操作结果之前被换出，等待I/O事件，而I/O操作也被阻塞，等待该进程被换入。）,18,缓冲技术的用途 可以在发出请求之前就开始执行输入操作（预输入），在发出请求一段时间后才开始执行输出操作（缓输出）。 匹配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。 多道程序环境中提高OS效率和单个进程的工具（技术）之一。,13.4 缓冲用途,19,单缓冲(single buffer)：当一个用户进程发出I/O请求时，OS给该操作

12、分配一个位于主存中系统部分的缓冲区。以面向块的设备为例：输入先传送至系统缓冲区，当传送完成时，进程将该块移动到用户空间，并立即请求另一块预读(对于输出，则称为延迟写）。 好处： 用户可以在下一块数据正在读入时，处理这块数据(用户进程处理某个数据块的同时，下一个数据块正在读入）。由于输入发生功能在系统存储空间而不是用户进程存储区，因此OS可以将该进程换出。 增加了OS的逻辑复杂度：OS必须直到用户进程的缓冲区的分配情况，交换逻辑受到影响。,13.4 缓冲单缓冲区,20,13.4 缓冲双缓冲和循环缓冲,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。当一

13、个进程往一个缓冲区中写数据时（取数据）时，OS正在清空（填充）另一个缓冲区。 循环缓冲(circular buffer)：多个缓冲区，CPU和外设的处理速度可以相差较大，如这个进程突然快速执行了大量的I/O。,21,13.4 I/O 缓冲,22,13.4 I/O 缓冲,23,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，只由虚拟设备来使用设备。,13.4 设备分配,24,13.4.1 设备分配数据结构,系统设备表(SDT, Syst

14、em 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。 设备控制表(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。 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。,25,各表间的关系,系统设备表,设备控制表（DCT）,控制

15、器控制表COCT,通道控制表CHCT,26,13.4.2 设备分配原则,设备分配的原则 合理使用外设(公平和避免死锁) 提高设备利用率 应用程序与设备无关 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； 设备分配技术： 独占分配：不会出现死锁；但设备利用率不高； 共享分配：利用率高，但控制复杂 虚拟分配：利用共享设备去实现独占设备的功能；有利于提高设备利用率,27,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，队首指向被请求设备的DCT；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

16、高低分配设备；,13.4.2 设备分配算法,28,先回顾一下设备分类问题 按资源分配角度分类 独占设备 在一段时间内只能有一个进程使用的设备，一般为低速I/O设备。如打印机，磁带等。因数量有限，会成为系统中的“瓶颈”资源，使进程经常处于阻塞状态；设备利用率比较低 共享设备 在一段时间内可有多个进程共同使用的设备，多个进程以交叉的方式来使用设备，其资源利用率高（如硬盘）,13.5 Spooling系统,29,13.5 虚拟设备,虚拟设备技术 多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。 基本思想：用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢速度的独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台共享设备。 通过共享型设备来模拟独占型设备的动作，使独占型设备成为共享型设备，提高设备的利用率和系统的效率。 实例：SPOOLing技术（Simultaneously Peripheral Operation On Line，外围设备同时联机操作)，是用程序模拟脱机I/O的功能，故又称为假脱机技术。,30,虚拟设备,13.5 Spool