专升本操作系统 第五章 进程管理-1

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1、操作系统Operating System第五章 设 备 管 理 概 述5.1 设备管理概述 5.2 I/O控制方式 5.3 中断技术 5.4 缓冲技术 5.5 设备分配及设备的处理程序 5.6 Spooling系统 5.7 磁盘设备管理5.1.1 设备类型1、按从属关系分系统设备和用户设备 2、按传输速率分低速、中速、高速 3、按操作特性分类存储设备和输入/输出（I/O）设备。 4、按设备共享性分独占、共享、虚拟设备 5、按传输的信息特点分类字符设备和块设备。 5.1.2 设备管理的功能&设备管理按照设备的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设备的进程。 &设备处理当CPU

2、向设备控制器发出I/O指令时，设 备管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。 &其他功能 包括对缓冲区的管理功能及实现设备的独 立性。5.1.3 设备管理的目标&提高设备的利用率 &为用户提供方便、统一的界面。5.1.4 设备管理结构 逻辑I/O（1）针对用户接口，提供抽象的命令（2）针对通信设备，如网络协议（3）针对文件存储设备，是文件系统的逻辑结 构控制 设备I/O（1）用户命令到设备操作序列的转换（2）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。（1）并发I/O访问调度（2）设备控制和状态维护（3）中

3、断处理5.1.5 设备控制器和I/O通道&设备管理器设备管理器一般位于CPU和I/O设备之间， 接收CPU发来的命令，并控制I/O设备工作 ，使处理机从繁杂的设备控制事务中解脱出 来。功能：接收来自CPU的各种命令，实现CPU与 控制器、控制器和设备之间的数据交换，记 录设备的状态供CPU查询，识别控制的每个 设备地址。5.1.5 设备控制器和I/O通道&I/O通道通道一般指专门用于输入/输出工作 的处理机。通道有自己的指令系统，该 指令系统比较简单，一般只有数据传输 指令、设备控制指令。按照信息交换方式的不同，可将通 道分为字节多路通道、数据选择通道和 数据多路通道。5.2 I/O控制方法&

4、I/O控制方法经历了4个发展阶段：程序直接控制方法中断控制方法DMA控制方法通道控制方法5.2.1 程序直接控制方式&生产人员停下生产，由他们将其中的 部分产品装上车，然后等待车子回来再 装车，如此下去，直到要运走的产品全 部运完才继续生产。 &早期的计算机系统中，由于没有中断 机构，处理机在处理数据的时候必须等 待I/O设备。 &程序直接控制很简单，但是CPU的利 用率太低。5.2.2 中断控制方法&生产人员停下生产，由他们将其中的产品运 走，然后他们继续生产，等车子回来后再次 停下生产，如此下去，直到产品全部运完。 &当进程要启动某个I/O设备时，便有CPU向 相应的设备控制器发出一条I/

5、O命令，然后 立即返回继续执行原来的任务。设备控制器 就按照该命令的要求去控制I/O设备。 &中断方式大大提高了CPU的利用率，但是 还是有很多问题，如，每个设备每输入/输 出一个数据，都要求CPU中断，在数据量大 的情况下，还是会浪费很多的CPU时间。5.2.3 DMA控制方法&生产人员停下生产，由其他人员将产 品一次性的全部装车运走，然后生产人 员继续生产。 &DMA（Direct Memory Access）除 了具有中断功能，还可以在设备和主存 之间成批的进行数据交换，而不需要 CPU干预。5.2.4 通道控制方法&由运输队的人员利用自己的设备将这 批产品装车运走，生产人员继续生产，

6、不用担心运输 &由于DMA每次只能执行一条I/O指令 ，不能满足复杂的I/O操作要求。大型 的计算机系统中，一般采用由专门的 I/O处理机来接受CPU委托，独立执行 自己的通道程序来实现I/O设备与内存 之间的信息交换。5.2.4 通道控制方法&在通道控制方法中，当进程要求输入 数据，CPU只需发出启动指令，指出通 道相应的操作和I/O设备，对应通道接 收到CPU发来的启动指令后，把存放在 内存中的通道指令程序读出，并执行通 道程序，控制设备将数据传送到内存中 指定的区域。当数据传送结束时，通道 向CPU发出中断信号，CPU收到中断信 号后转中断处理程序，唤醒等待输入的 进程，并返回北中断程序

7、。5.2.4 通道控制方法&按照传输速率的不同，将通道分为以 下三种类型字节多路通道数组选择通道数组多路通道5.3 中断技术&中断：是指计算机在执行期间，系统 内发生了某一急需处理的事件，使得 CPU暂时中止当前正在执行的程序而转 去执行相应的事件处理程序，待处理完 毕后又返回到原来被中断处继续执行。5.3.1 中断的基本概念&引起中断发生的事件叫做中断源 &中断源向CPU发出的请求中断处理的 信号叫做中断请求。 &CPU收到中断请求后转向相应事件处 理程序的过程叫做中断响应。 &发生中断时，刚执行的那条指令所在 的单元号称为断点，断点的逻辑后继指 令的单元号称为恢复点。而现场是指中 断的那一

8、时刻能确保程序继续执行的有 关信息。5.3.1 中断的基本概念&PSW是一组反映程序运行状态的信息 ，又称为程序状态字。 &中断屏蔽：5.3.2 中断分类与优先级&按中断信号的来源可以分为：外中断：来自处理机和内存外部的中断内中断：指处理机和内存产生的中断 &按中断的含义机器故障中断、I/O中断、程序性中断 、外部中断、访管中断 &中断优先级是指中断装置响应中断的 次序5.3.3 中断处理过程&保护被中断进程现场 &分析中断原因 &恢复被中断进程现场，CPU继续执行 原来被中断的进程5.4 缓冲技术&在CPU和外设交换数据的时候，经常 会出现数据写入和读取的速度不匹配的 情况。所以位了提高资源

9、的利用率以及 缓解CPU和外设之间速度不匹配的矛盾 ，人们提出了缓冲技术5.4.1 缓冲技术的基本思想&实现思想：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 而缓解CPU和外设速度不匹配的矛盾。 &凡是在数据到达和离开速度不匹配的 地方，均可采用缓冲技术。引入缓冲技术的主要原因&改善CPU和I/O设备间速度不匹配的 矛盾 &减少对CPU的中断频率 &提高CPU和I/O设备之间的并行性5.4.2 缓冲技术的分类&硬件缓冲和软件缓冲 &根据缓冲区的从属关系：专用缓冲区 和缓冲池 &根据系统设置的缓冲区个数：单缓冲 ，双缓冲，环形缓冲，缓冲池5.4.2 缓冲技术的分类&单

10、缓冲：在设备和处理机之间设置一个缓冲 区，设备和处理机交换数据时，先把被 交换数据写入缓冲区，然后，需要数据 的设备或处理机从缓冲区取出数据。设备和处理机对缓冲区的操作是串 行的。缓冲区用户区I/O设备输入操作系统用户进程传送5.4.2 缓冲技术的分类&双缓冲区缓冲区缓冲区用户区I/O设备输入操作系统用户进程双缓冲区的使用提高了处理机和输入设备 的并行操作程度。5.4.2 缓冲技术的分类&环形缓冲缓冲区缓冲区缓冲区缓冲区缓冲区缓冲区环形缓冲用于输入/输出时，还需要两个指针in和out 。5.4.2 缓冲技术的分类&缓冲池把专用缓冲区变为通用缓冲区，全部 缓冲区组成一个缓冲池，由管理程序统一 管

11、理，动态分配三个队列：空缓冲队列，装满输入数据的 缓冲队列，装满输出数据的缓冲队列四种工作缓冲区：用于收容输入数据的 工作缓冲区（hin）、用于提取输入数据 的工作缓冲区（sin）、用于收容输出数 据的工作缓冲区（hout）和用于提取输 出数据的工作缓冲区（sout）5.4.2 缓冲技术的分类hinsinsouthout用 户 程 序收容输入提前输出提取输入收容输出缓冲池5.5 设备分配及设备的 处理程序5.5.1 设备分配的数据结构&设备控制表（DCT） &控制器控制表（COCT） &通道控制表（CHCT） &系统设备表（SDT）设备控制表（DCT）&当一台设备进入系统必须创立相应的DCT，

12、 包括：（1）设备表示符（2）设备属性（3）设备I/O总线地址（4）设备状态 ：忙/空闲（5）对待队列指针：等待使用该设备的进程 组成等待队列，这里存放等待队列的首指针 。控制器控制表（COCT）&每个控制器都有一个COCT，他反映 I/O控制器的使用状态以及和通道的连 接情况 &包括：控制器标识符、控制器状态（ 忙/闲）、控制器对待队列指针与控制 器连接的通道表面指针。通道控制表（CHCT）&每个通道都有一张CHCT，包括通道标 识符、通道状态（忙/闲）、等待获得 该通道的进程对待队列指针系统控制表（SDT）&整个系统配制一张SDT，它记录了系 统中所有物理设备的情况，每个物理设 备占一表目

13、。 &包括：设备类型、设备标识符、设备 控制指针（指向该设备对应的设备控制 表）等5.5.2 设备分配策略&系统进行设备分配的时候，要考虑设 备的固有属性、设备分配算法、设备分 配的安全性、设备独立性分配策略&独占设备的分配 &共享设备的分配 &虚拟方法针对虚拟设备而言分配算法&先来先服务 &优先级高者优先设备分配的安全性&安全性：指的是在设备分配的时候应 保证进程不发生死锁 &静态分配优点：简单，安全性好缺点：设备利用率低 &动态分配优点：效率高缺点：会产生死锁5.5.3 设备处理&设备处理程序又称为设备驱动程序 &功能： 按处理机的请求去启动指定设备进行I/O操 作 当I/O操作完成或发生

14、时，I/O设备将向处 理机发出中断请求 在设有通道的计算机系统中，I/O操作是由 通道执行通道程序完成的，所以设备处理程 序应具有根据不同的I/O请求构成相应通道 程序的功能。设备处理方式&为每一个设备设置一个I/O进程，它 专门执行这类设备的I/O操作 &整体系统中设置一个I/O进程，全面 负责系统的数据传送工作。 &不设置专门的设备处理进程，而是只 为各类设备设置相应的设备处理程序， 共用户进程和系统进程调用设备处理程序的工作&根据请求传输的数据量组织输入/输出 缓冲队列 &利用输入/输出缓冲队数据进行加工， 包括格式处理和编码转换。 &构造输入/输出程序，或者在配有通道 的系统中构造通道

15、程序 &启动设备进行输入/输出操作 &处理来自设备或通道的中断请求5.6.1 虚拟设备的分配&所谓虚拟设备是指代替独享设备的那部分存 储空间及有关的控制结构。对虚拟设备采用 的是虚拟分配，其过程是：当进程中请求独 享设备时，系统将共享设备的一部分存储空 间分配给它。进程与设备交换信息时，系统 把要交换的信息存放在这部分存储空间，在 适当的时候对信息作相应的处理。如打印时 ，把要打印的信息送到某个存储空间中，在 打印机空闲时将存储空间上的信息送到打印 机上打印出来。5.6.2假脱机技术(spooling) &通过共享设备来模拟独享设备所采用 的操作是假脱机操作，即在联机情况下 外部设备设备同时操

16、作。所使用的假脱 机技术称之为假脱机技术。5.6.3假脱机系统的组成& 输入井和输出井 & 输入缓冲区和输出缓冲 区 & 输入进程和输出进程 图5.6 假脱机系统的组成5.6.4假脱机系统的特点（1）提高了I/O速度。从对低速I/O设备进行的 I/O操作变为对输入井或输出井的操作，如同脱 机操作一样，提高了I/O速度，缓和了CPU与低 速I/O设备速度不匹配的矛盾。 （2）设备并没有分配给任何进程。在输入井或输 出井中，分配给进程的是一存储区和建立一张 I/O请求表。 （3）实现了虚拟设备功能。多个进程同时使用一 独享设备，而对每一进程而言，都认为自己独 占这一设备，不过，该设备是逻辑上的设备。5.7 磁盘设备的管理&磁盘结构 &磁盘的访问时间 &磁盘的调度算法5.7.1 磁盘的结构&磁盘系统可以分为：固定头磁盘和移 动头 &三个重要参数（1）柱面好（2）磁头号：和盘面号一样（3）扇区号 &逻辑扇区号：b=k+s(t*i+j)5.7.2 磁盘的访问时间&柱面定位时间：寻道时间 &旋转延迟时间：与磁盘的转速