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1、第4章 设备管理,1.,2.,3.,本章讲述内容：,4.,完成一个I/O请求的步骤 ；,如何管理和分配系统中的设备 ；,数据传输的各种控制方式 ；,设备管理中常用的若干技术。,输入/输出设备：输入设备是计算机“感知”或“接触”外部世界的设备，用户通过它把信息送到计算机系统内部；输出设备是计算机“通知”或“控制” 外部世界的设备 。,4.1 概述,4.1.1,计算机设备的分类,.,基于设备的从属关系,1.,系统设备：操作系统生成时就纳入系统管理范围的设备，也称为“标准设备”。,.,用户设备：在完成任务过程中，用户特殊需要的设备。这些是操作系统生成时未经登记的非标准设备，因此，需要向系统提供使用该
2、设备的设备驱动程序。,基于设备的分配特性,2.,.,独享设备：分配给用户进程使用，就必须等它使用完，才能重新分配给另一个用户进程使用。即独享设备的使用具有排它性。,.,.,共享设备：可由几个用户进程交替地对它进行信息读或写操作。从宏观上看，它们在同时使用，因此这种设备的利用率较高。,虚拟设备：通过辅存的支持，利用SPOOLing技术，把独享设备“改造”成可以共享的设备，但实际上这种共享设备并不存在。,.,基于设备的工作特性,3.,.,存储设备：计算机用来长期保存各种信息、又可以随时访问这些信息的设备 。,4.,磁带,.,.,5.,磁盘,磁带是严格按信息存放的物理顺序进行定位与存取的存储设备。必
3、须从其头部开始，一个记录、一个记录地顺序读/写，因此是一种适于顺序存取的存储设备。,记录间隙,磁带机启停要考虑惯性：启动时，必须经过一段时间才能加速到额定速度；在读/写完一个记录到真正停下来，又要滑过一段距离。因此，磁带上每个记录之间要有所谓的“记录间隙（IRG）”存在。,为减少磁带上IRG的数量，提高存储利用率，写时是在缓冲区中把若干个记录拼装成一块，然后写出，这个过程称为“记录的成组”；读时是先把一块读到内存缓冲区，然后从中挑选出所需要的记录，这个过程称为“记录的分解”。,记录的成组与分解,磁盘的特点是存储容量大，存取速度快，能顺序或随机存取。操作系统中的很多实现技术（如存储管理中的虚拟存
4、储），都是以磁盘作为后援的。因此，它越来越成为现代计算机系统中一个不可缺少的重要组成部分。,.,柱面号、磁头号、扇区号,盘面上的磁道号就是“柱面号”；每个盘面所对应的读/写磁头从0开始由上到下顺序编号，是“磁头号”；盘面上的扇区按磁盘旋转的反向、从0开始编号，称为“扇区号”。,对缓冲区管理。外设的数据传输速度都较低，高速CPU与慢速I/O设备间的速度不匹配。为此，系统在内存开辟“缓冲区”，CPU和I/O设备都通过缓冲区传送数据，以协调设备与设备之间、设备与CPU之间的工作。,提供一组I/O命令，以便用户进程能够在程序一级发出所需要的I/O请求，这就是用户使用外部设备的“界面”。,4.1.2,设
5、备管理的目标与功能,1.,2.,设备管理的目标,设备管理的功能,.,.,.,.,多道程序设计环境下，外设的数量少于用户进程数，竞争不可避免。如何合理地分配外部设备，协调它们之间的关系，充分发挥外设之间、外设与CPU之间的并行工作能力，使系统中各种设备尽可能地处于忙碌状态，是一个非常重要的问题。,提高外部设备的利用率,.,为用户提供便利、统一的使用界面,“界面”是用户与设备交往的手段。外设类型多样，特性不一，操作各异。系统必须隐藏各种外设的物理特性和各自的操作方式，这样使用时才会感觉到便利和统一。,进行设备的分配与回收。,.,实现真正的I/O操作。,.,.,.,4.2 输入/输出的处理步骤,“设
6、备中断处理程序”来处理这个请求。,一个输入/输出请求的四个处理步骤,用户在程序中使用系统提供的输入/输出命令发出I/O请求；,“输入/输出管理程序”接受这个请求；,“设备驱动程序”来具体完成所要求的I/O操作；,.,输入/输出管理程序,. 阻塞调用进程,. 验证I/O请求,. 调用设备驱动程序,. 校验设备状态,. 激活调用进程,用户进程程序,READ (input, buffer) ;,buffer (缓冲区) ;,设备驱动程序,. 初始化并启动I/O,. 完成真正的I/O,. 返回输入/输出管理程序,设备中断处理程序,. 保护中断现场,. 传送数据,. 恢复现场,. 调用设备驱动程序,发出
7、I/O请求,4.3 设备的分配与调度算法,4.3.1,管理设备时的数据结构,1.,设备控制块,为管理外部设备，操作系统为每台设备开辟一个存储区，随时记录系统中每个设备的基本信息，称为“设备控制块DCB”。暂时得不到某设备服务的进程的PCB，排在与该设备有关的阻塞队列上，被称为“设备请求队列”。,设备请求队列指针,设备驱动程序起址,设备标识,设备类型,设备状态,其他,PCB1,PCB2,PCB j,NULL,设备请求队列,DCB i,DCB 1,DCB n,DCB i,DCB,2.,系统设备表,为管理设备， 系统要有一张“系 统设备表SDT”。 系统初启时，每 个标准的及用户 提供的外部设备，
8、在该表里都有一 个表目，表目内 容有该设备的标识、所属类型以及它的设备控制块DCB的指针。在输入/输出时，系统从SDT得到设备的DCB，然后从DCB里得到有关该设备的信息。,4.3.2,独享设备的分配,.,1.,独享设备的静态分配策略,一个作业进程使用某设备时，别的作业进程只能等到它用完后才能用，这种设备就是“独享设备”。独享设备的使用具有排它性，对它们只能采取“静态分配”策略。即在一个作业运行前，就必须把这类设备分配给它，直到运行结束归还给系统。,2.,独享设备的绝对号、相对号,设备的绝对号,为了管理，系统在内部对每一台设备进行编号，以便相互识别。设备的这种内部编号称为设备的“绝对号”。,.
9、,设备的相对号,用户请求I/O时，不是通过绝对号来指定设备，只能指明要使用哪一类设备。至于实际使用哪一台，应根据当时系统设备的分配情况来定。另一方面，有时用户可能会同时要求使用几台相同类型的设备。为便于区分，避免混乱，允许用户对自己要求使用的几台相同类型的设备进行编号。这种编号出自用户，称为设备的“相对号”。于是，用户是通过“设备类，相对号”来提出使用设备的请求的。操作系统的设备管理必须提供一种映射机制，以便建立起用户给出的“设备类，相对号”与物理设备的“绝对号”之间的对应！,4.3.3,共享磁盘的调度,1.,磁盘输入/输出花费的三种时间,.,查找时间,.,等待时间,.,传输时间,间,时,输,
10、传,磁道,查找 时间,磁臂,等,待,时,间,数,据,信,息,磁,盘,旋,转,方,向,在磁臂的带动下，把磁头移动到指定柱面所需要的时间。,将指定的扇区旋转到磁头下所需要的时间。,由磁头进行读/写，完成信息传送所需要的时间。,2.,移臂调度与旋转调度,.,移臂调度,.,旋转调度,要提高磁盘的使用效率，只能在减少查找时间和等待时间上想办法，它们都与I/O在磁盘上的分布位置有关。从减少查找时间着手，就称为磁盘的“移臂调度 ”。,从减少等待时间着手，就称为磁盘的“旋转调度”。下面只介绍移臂调度的各种算法。,53,3.,先来先服务调度算法,基本思想：以I/O请求到达的先后次序作为磁盘调度的顺序 。,4.,
11、最短查找时间优先调度算法,基本思想：把距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象 。,0,14,37,65,67,98,122,124,183,磁道号：,1,2,3,4,5,6,7,8,53,0,14,37,65,67,98,122,124,183,磁道号：,1,2,3,4,5,6,7,8,总共划过的磁道数 =(98-53)+(183-98) +(183-37)+(122-37) +(122-14)+(124-14)+(124-65) +(67-65)=45+85+146+85+108 +110+59+2=640,总共划过的磁道数 =(65-53)+(67-65) +(67-37)+
12、(37-14) +(98-14)+(122-98)+(124-122) +(183-124)=12+2+30+23+84+24+2+59=236,5.,电梯调度算法,基本思想：沿着移动臂的移动方向选择距离磁头当前位置最近的I/O请求作为下一次调度的对象。如果该方向上已无I/O请求，则改变方向再做选择。注意，由于电梯调度算法与移动臂的移动方向有关，因此磁臂移动的结果路线应该有两个答案。,53,0,14,37,65,67,98,122,124,183,磁道号：,总共划过的磁道数 =(53-37)+(37-14) +(65-14)+(67-65)+(98-67) +(122-98)+(124-122
13、)+(183-124) =16+23+51+2+31+24+2+59=208,.,由里往外移动,.,由外往里移动,1,2,3,4,5,6,7,8,初始移动方向,53,0,14,37,65,67,98,122,124,183,磁道号：,初始移动方向,1,2,3,4,5,6,7,8,总共划过的磁道数 =299,假定用c表示每个柱面上的磁道数，s表示每个盘面上的扇区数，则第i个柱面、j磁头、k扇区所对应的磁盘块号b可用如下的公式计算：b=k+s*(j+i*c),5.,单向扫描调度算法,基本思想：总是从0号柱面开始往里移动磁臂，遇到有I/O请求就进行处理，直到到达最后一个请求柱面。然后移动臂立即带动磁
14、头不做任何服务地快速返回到0号柱面， 开始下一次扫描。,53,0,14,37,65,67,98,122,124,183,磁道号：,1,2,3,4,5,6,7,8,快速返回到0号柱面,总共划过的磁 道数=350,6.,信息在磁盘上的存放方式,磁盘上磁盘块（即扇区）的编号按照柱面的顺序进行（从0开始），每个柱面按照柱面上的磁道顺序进行（从0开始），每个磁道按照扇区顺序进行（从0开始）。,.,.,.,求第p个磁盘块在磁盘上的位置。令D=s*c（每个柱面上拥有的磁盘块数），并设M=p/D，N=p % D。于是，求第p块在磁盘上位置的公式为：柱面号=M; 磁头号=N/s; 扇区号=N%s,要让设备输入/
15、输出，操作系统总是与控制器交往，不与设备直接交往。它把命令及所需参数写入控制器的寄存器中，实现输入/输出。控制器接受一条命令后，就独立于CPU去完成命令指定的任务。,I/O设备通过控制器和CPU相连，通过内部的若干寄存器与CPU进行通信：有用作数据缓冲的数据寄存器；有用作保存设备状态信息供CPU进行测试的状态寄存器；还有用来保存CPU发出的命令以及各种参数的命令寄存器。,I/O设备一般由机械与电子线路两部分组成：机械部分为设备本身，电子部分称为“设备控制器(或适配器)”。设备控制器工作速度快，可连接若干个相同类型的设备。,4.4 数据传输的方式,4.4.1 设备控制器,1.,设备控制器简述,.,.,.,2.,单总线模型,CPU,内存储器,磁盘控制器,打印机控制器,其他控制器,打印机,磁盘驱动器,控制器-设备接口,系统总线,2.,.,1.,4.4.2 程序循环测试方式,在早期的计算机系统中，都是采用程序循环测试的方式来控制数据传输的。,输入输出中设备控制器各寄存器的作用,命令寄存器：与具体的I/O请求有关 。,.,数据寄存器：用来存放传输的数据。对于输入设备，总是把所要输入的数据送入该寄存器，然后由CPU取走；对于输出设备，先由CPU把数据送至该寄存器，再由设备输出。,
