设备管理教学课件

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1、1第七章第七章 设备管理设备管理n7.1 概述概述 n7.2 I/O控制方式控制方式n7.3 缓冲技术缓冲技术 n7.4 其它技术其它技术n7.5 设设 备备 分分 配配 2024/7/22设备管理教学27.1 7.1 概述概述n7.1.1 7.1.1 设备的分类设备的分类 n7.1.2 7.1.2 设备管理的目标设备管理的目标 n7.1.3 7.1.3 设备管理的功能设备管理的功能 n7.1.4 7.1.4 设备管理数据结构设备管理数据结构 2024/7/22设备管理教学37.1.1 7.1.1 设备的分类设备的分类1 1、按传输速率分、按传输速率分n低速设备：每秒几个到数百字节。如低速设备

2、：每秒几个到数百字节。如ModemModemn中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机中速设备：每秒数千到数万字节。如打印机n高速设备：每秒数百高速设备：每秒数百K K到数兆。如磁盘、磁带到数兆。如磁盘、磁带2024/7/22设备管理教学42 2、按信息交换的单位分类、按信息交换的单位分类n字字符符设设备备：I/OI/O传传输输的的单单位位是是字字节节，如如打打印印机机、modemmodem等。特征：速率较低、中断驱动。等。特征：速率较低、中断驱动。n块设备块设备 ： I/O传输的单位是块，如磁盘、磁传输的单位是块，如磁盘、磁带。特征：速率高（几兆）、可随机访问任带。特征：速率高（几兆）、可随机

3、访问任一块、一块、DMA方式驱动。方式驱动。 2024/7/22设备管理教学5 3. 3. 按资源管理方式分类按资源管理方式分类n独独占占型型设设备备：在在任任一一段段时时间间内内最最多多有有一一个个进进程程占占用用它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。n共共享享型型设设备备：多多个个进进程程对对它它的的访访问问可可以以交交叉叉进进行行，除磁带机外的块设备属共享设备除磁带机外的块设备属共享设备n虚虚拟拟设设备备：在在一一类类设设备备上上模模拟拟另另一一类类设设备备，常常用用共共享享设设备备模模拟拟独独占占设设备备，用用高高速速设设备备模模拟

4、拟低低速速设设备备，被模拟的设备称为虚被模拟的设备称为虚拟拟设备设备2024/7/22设备管理教学67.1.2 7.1.2 设备管理的目标设备管理的目标1、设备独立性所所谓谓设设备备独独立立性性：用用户户在在编编制制程程序序时时，使使用用逻逻辑辑设设备备名名，由由系系统统实实现现从从逻逻辑辑设设备备到到物物理理设设备备（实实际际设设备备）的的转转换换。用用户户能能独独立立于于具具体物理设备而方便的使用设备。体物理设备而方便的使用设备。2024/7/22设备管理教学7两种类型的设备独立性两种类型的设备独立性n独独立立于于同同一一类类设设备备中中的的某某台台具具体体设设备备。如如果果一一个个系系统

5、统中中有有若若干干台台相相同同的的设设备备，用用户户编编程程时时不不指指定定使使用用哪哪一一个个具具体体的的设设备备，而而仅仅说说明明要要使使用用哪哪一一类类设设备备，系系统统根根据据当当前前这这一一类类设设备备的的具具体体状状况况给给用用户户分分配配一一台台具具体体的的设设备备。用户不用关心他所使用的到底是哪一台设备。用户不用关心他所使用的到底是哪一台设备。2024/7/22设备管理教学8 n独立于不同类型的设备独立于不同类型的设备。例例如如有有一一程程序序要要求求输输入入信信息息，可可以以从从各各种种不不同同类类型型的的输输入入设设备备上上给给程程序序输输入入数数据据，则则称称该该程序是独

6、立于不同类型的输入设备的。程序是独立于不同类型的输入设备的。又又如如在在MS-DOSMS-DOS系系统统中中，程程序序的的I/OI/O操操作作不不必必指指出出在在哪哪台台设设备备上上进进行行，一一般般情情况况下下是是从从键键盘盘上上输输入入数数据据，而而在在显显示示器器上上输输出出数数据据。但但用用户户可可以以做做一一次次联联机机操操作作命命令令Ctrl+PCtrl+P，则则输输出出数数据可以在打印机上打印出来。据可以在打印机上打印出来。2024/7/22设备管理教学92、提高设备利用率n提提高高设设备备的的使使用用效效率率是是操操作作系系统统设设备备管管理理的的重重要要目目标。标。n为为达达

7、到到此此目目标标除除了了要要合合理理分分配配和和使使用用外外部部设设备备外外，还还应应努努力力提提高高设设备备同同CPUCPU的的并并行行程程度度。与与此此有有关关的的技技术有：通道技术和缓冲技术。术有：通道技术和缓冲技术。2024/7/22设备管理教学10I/O系统概述系统概述I/O特点特点 CPU与与I/O的速度差别很大，导致如下情况的速度差别很大，导致如下情况I/O的性能成为系统性能的瓶颈的性能成为系统性能的瓶颈操作系统变得庞大、复杂I/O 设备种类繁多、物理特性差距甚大数据传输率数据表示方式传输单位出错条件 I/O技术实用技术实用是学习和深入理解OS的有效途径快 2024/7/22设备

8、管理教学113、设备的统一管理外外设设的的种种类类繁繁多多，特特性性各各异异，主主要要差差别别反反映映在在以以下下几几个方面：个方面：n速速度度：不不同同的的设设备备处处理理和和传传递递信信息息的的速速度度差差别别甚甚大大，如如键键盘盘每每秒秒钟钟只只能能处处理理几几个个或或几几十十个个字字符符，而而磁磁盘盘的处理速度可达几十的处理速度可达几十MB/SMB/Sn传递单位：有的设备以字符为单位传递信息，如键传递单位：有的设备以字符为单位传递信息，如键盘。有的以字符块为单位传递信息，如磁盘。盘。有的以字符块为单位传递信息，如磁盘。 2024/7/22设备管理教学12n操操作作方方法法和和特特性性：

9、各各种种设设备备都都有有自自己己的的特特性性和和操操作作方方法法，如如卡卡片片机机中中的的卡卡片片不不能能倒倒退退，磁带机可反绕，磁盘可随机存取。磁带机可反绕，磁盘可随机存取。n出出错错条条件件：各各种种设设备备的的出出错错条条件件不不同同，有有的的可能产生奇偶错，打印机可能产生无纸错等。可能产生奇偶错，打印机可能产生无纸错等。2024/7/22设备管理教学13设设备备管管理理程程序序力力图图隐隐蔽蔽上上述述各各种种设设备备的的差差别别，向向用用户户提提供供统统一一的的设设备备使使用用接接口口，这这会会给给系系统的设计带来困难，但方便了用户。统的设计带来困难，但方便了用户。如如UNIXUNIX

10、系系统统把把外外设设作作为为特特别别文文件件处处理理，把把设设备备看看作作文文件件，用用操操作作文文件件的的方方法法来来操操作作设设备备，这这极极大大地地方方便便了了用用户户。这这种种设设备备管管理理方方法法无无疑是个重大的突破。疑是个重大的突破。2024/7/22设备管理教学147.1.3 7.1.3 设备管理的功能设备管理的功能1、 监视系统中所有设备的状态一一个个计计算算机机系系统统中中存存在在着着许许多多设设备备，在在系系统统运运行行期期间间这这些些设设备备都都在在处处理理各各自自所所承承担担的的工工作作，并并处处于于各各种种不不同同的的状状态态，系系统统要要有有效效地地管管理理和和使

11、使用用这这些些设设备备就就必须监视它们的工作状态。必须监视它们的工作状态。系系统统为为每每个个设设备备设设置置设设备备控控制制块块DCB结结构构，在在DCBDCB中中登登记记了了设设备备的的状状态态信信息息，系系统统是是经经过过对对DCBDCB的的查查询询来来监监视设备的活动的。视设备的活动的。2024/7/22设备管理教学152、设备的分配在在多多用用户户或或多多进进程程的的环环境境中中，每每个个用用户户在在完完成成各各自自的的任任务务时时总总是是要要使使用用外外设设，为为用用户户或或进进程分配设备是设备管理的主要功能之一。程分配设备是设备管理的主要功能之一。设设备备分分配配包包括括：设设备

12、备分分配配策策略略、分分配配的的方方式式、分配技术和选择用户的算法。分配技术和选择用户的算法。2024/7/22设备管理教学163、I/O控制 I/O控制是设备管理的另一功能，它包括控制是设备管理的另一功能，它包括设备驱设备驱动和设备中断处理动和设备中断处理。2024/7/22设备管理教学17I/O硬件组成原理硬件组成原理I/O系统层次系统层次I/O硬件组成硬件组成 控制器+设备本身 I/O设备（机械部分）设备（机械部分） 设备控制器（电子部分）2024/7/22设备管理教学18I/O硬件组成原理硬件组成原理设备控制器 插在电路板上的一块芯片或一组芯片 主要功能接收OS的命令（如，从设备读数据

13、，并完成数据的处理）实际I/O设备本身 设备接口与设备控制器接口实际设备接口隐藏在设备控制器中OS看到的是控制器的接口看到的是控制器的接口2024/7/22设备管理教学19I/O硬件组成原理硬件组成原理设备控制器Device Controller、adapter设备与主机间的连接和通信数模信号的转换命令的接收和识别数据的交换设备状态的理解和报告两类接口（CPU/设备）2024/7/22设备管理教学207.1.4 7.1.4 设备管理数据结构设备管理数据结构设备控制块(DCB)DCBDCB是是设设备备管管理理的的重重要要数数据据结结构构，在在这这个个结结构构中中较较全全面面地地反反映映了了每每台

14、台设设备备的的特特性性、连连接接和和使使用用的的状状态态等等信信息息。当当一一台台设设备备进进入入系系统统时时必必须创立相应的须创立相应的DCBDCB2024/7/22设备管理教学21DCBDCB的内容的内容n设设备备标标识识符符：系统有许多设备，为区别起见为每台设备取个名，这个名叫设备标识符。n设备属性：设备属性：反映设备的相应特性和类型n设设备备I/OI/O总总线线地地址址：设备和CPU是通过I/O总线连接起来的，它在总线上有个地址。n设备状态：设备状态：指设备当时所处的状态。n等待队列指针：等待队列指针：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队首指针。 2024/7/22设

15、备管理教学22图示图示2024/7/22设备管理教学237.2 I/O控制方式控制方式n7.2.1 7.2.1 循环测试循环测试I/OI/O方式方式 n7.2.2 I/O7.2.2 I/O中断方式中断方式 n7.2.3 DMA7.2.3 DMA方式方式 n7.2.4 7.2.4 通道方式通道方式 2024/7/22设备管理教学247.2.17.2.1循环测试循环测试I/OI/O方式方式早早期期，I/OI/O控控制制器器是是OSOS同同硬硬件件之之间间的的接接口口。它它有有两两个个寄寄存存器器：数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器、控控制制寄寄存存器器。控控制制寄寄存存器器有有几几个个重重要要的的信信息

16、息位位：启启动动位位、完成位、忙位完成位、忙位。CPU外部设备控控制制逻逻辑辑电电路路控制寄存器控制寄存器I/O控制器控制器数据寄存器数据寄存器2024/7/22设备管理教学25工作过程工作过程以输入为例以输入为例1 1、 把启动位置把启动位置1 12 2、 反复测试完成位，为反复测试完成位，为0 0转转2 2，为，为1 1转转3 33 3、 把数据从数据缓冲区中读走。把数据从数据缓冲区中读走。浪费大量浪费大量CPU时间时间2024/7/22设备管理教学267.2.2 I/O中断方式中断方式I/OI/O控制器能发中断控制器能发中断。工作过程：工作过程：1 1、把把启启动动位位置置1 1，本本进

17、进程程（A A）变变为为等等待待状状态态，转转进进程调度，调度另一进程程调度，调度另一进程B B。2 2、输输入入完完成成时时，控控制制器器发发出出中中断断，中中断断B B，通通过过中中断断进入中断处理程序。进入中断处理程序。3 3、在在中中断断处处理理程程序序中中把把数数据据缓缓冲冲寄寄存存器器中中的的数数取取走走，放放入入内内存存特特定定位位置置M M，唤唤醒醒等等待待进进程程A A，中中断断返返回回到到B B的断点继续执行。的断点继续执行。4 4、在在以以后后的的某某个个时时刻刻OSOS调调度度要要求求输输入入的的进进程程A A。A A从从M M取数处理。取数处理。 2024/7/22设

18、备管理教学27分析分析同前相比，同前相比，CPU利用率大大提高。利用率大大提高。缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都缺点：每台设备每输入输出一个字节的数据都有一次中断。如果设备较多时，中断次数会有一次中断。如果设备较多时，中断次数会很多，使很多，使CPU的计算时间大大减少。的计算时间大大减少。为减少中断对为减少中断对CPU造成的负担，可采用造成的负担，可采用DMA方方式和通道方式。式和通道方式。2024/7/22设备管理教学287.2.3 DMA方式方式j j控控制制器器功功能能更更强强，除除有有中中断断功功能能外外，还还有有一一个个DMADMA控控制制机机构构。在在DMADMA控控制制器

19、器的的控控制制下下，设设备备同同主主存存之之间可成批交换数据，不用间可成批交换数据，不用CPUCPU干预干预。2024/7/22设备管理教学29工作过程工作过程1 1、当当进进程程要要求求输输入入时时，把把要要求求传传送送的的内内存存始始址址（M M）和和要要传传的的字字节节数数送送入入DMADMA的的内内存存地地址址寄寄存存器器和和传传送送字字数寄存器数寄存器2 2、把把启启动动位位置置1 1。设设备备开开始始工工作作。进进程程（A A）挂挂起起。调调度另一进程（度另一进程（B B）3 3、一一批批数数据据输输入入完完成成后后，DMADMA中中断断B B，转转向向中中断断处处理理程程序。序。

20、4 4、中断处理程序唤醒、中断处理程序唤醒A A，返回返回B B的断点继续执行。的断点继续执行。5 5、以后、以后OSOS调度调度A A运行时，运行时，A A从从M M处取数据处理。处取数据处理。 2024/7/22设备管理教学30DMA方式与中断的主要区别方式与中断的主要区别n中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断中断方式是在数据缓冲寄存区满后，发中断请求，请求，CPU进行中断处理进行中断处理 DMA方式则是在所要求传送的数据块全部方式则是在所要求传送的数据块全部传送结束时要求传送结束时要求CPU进行中断处理进行中断处理 大大减少了大大减少了CPU进行中断处理的次数进行中断处理的次数n中断方

21、式的数据传送是由中断方式的数据传送是由CPU控制完成的控制完成的 而而DMA方式则是在方式则是在DMA控制器的控制下不控制器的控制下不经过经过CPU控制完成的控制完成的2024/7/22设备管理教学31CPU向控制器发出启动向控制器发出启动DMA通知和有关参数通知和有关参数控制器向内存发出询问请求控制器向内存发出询问请求访问内存（读、写）访问内存（读、写）计数器减计数器减1结束否结束否发中断发中断NYDMA的实现流程的实现流程2024/7/22设备管理教学327.2.4 7.2.4 通道方式通道方式 I/O I/O系统结构系统结构在在大大型型计计算算机机系系统统中中较较为为典典型型的的I/OI

22、/O系系统统结结构构是是主主机机、通通道道、控控制制器器和和外外部设备。部设备。2024/7/22设备管理教学33 外部设备通常由机械的和电子的两部分组成，电子部分构成控制器，也叫适配器。 一个控制器可交替地控制几台同类设备，例如一个磁盘控制器可以控制两台磁盘驱动器。 在没有通道的计算机系统中，中央处理机是通过控制器控制I/O操作的。 2024/7/22设备管理教学341、总线、总线的基本概念：的基本概念： 在计算机系统内各种子系统，如CPU、内存、I/O设备等之间，构建公用的信号或数据传输通道 这种可共享的传输通道称为总线总线技术总线技术2024/7/22设备管理教学35总线的分类总线的分类

23、CPU-内存总线内存总线I/O总线总线数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线（非本课程范围）（非本课程范围）2、总线的分类、总线的分类2024/7/22设备管理教学36微型计算机微型计算机总线的种类和发展总线的种类和发展PCXT总线总线ISA总线总线MCA总线总线EISA总线总线VESA总线总线 PCI总线总线USB总线总线.(过时过时)1394总线总线SCSI总线总线2024/7/22设备管理教学37ISA（工业标准结构）（工业标准结构）nISA基于PCAT总线，是由IEEE（美国电气电子工程师协会）1987年正式确立的标准。nISA槽是一个黑色的6236线插槽。nISA工作频率定

24、在8.33MHz，数据传输率为8.33MBs。n随着系统工作频率的迅速提高，其配用的扩展卡也逐渐被淘汰，现在最新的主板已开始取消ISA槽。2024/7/22设备管理教学38PCI （外围部件互连）（外围部件互连）n1993年Intel发表PCI2.0版，PCI开始走进主板。nPCI有32位和64位两种，32位PCI槽124线，64位槽188线，目前常用的是32位插槽。nPCI槽的时钟频率为33.3MHz，32位PCI的数据传输率为133MBs，大大高于ISA。所以PCI问世后迅速成了扩展总线的主流，流行的扩展卡也都转移到PCI上，如显示卡、声卡、网卡、MODEM卡等等。2024/7/22设备管

25、理教学39AGP（加速图形端口）（加速图形端口）n1996年Intel公司在PCI的基础上专为显示卡接口提出AGP标准。nAGP使用32位数据总线，工作频率为66.6MHznAGP 1x的数据传输率可达266MB/s，AGP 2x在一个时钟周期的上升沿和下降沿各传输一次资料，其数据传输率可达到533MBs，而AGP 4x的理论传输率为1.066GBs。 2024/7/22设备管理教学40 为使中央处理机从繁忙的I/O处理中摆脱出来，现代大、中型计算机系统中设置了专门的处理I/O操作的处理机，并把这种处理机称为通道。通道在CPU的控制下独立地执行通道程序，对外部设备的I/O操作进行控制，以实现内

26、存与外设之间成批的数据交换。通道=I/O处理机2 2、通道概念、通道概念2024/7/22设备管理教学41 当完成CPU交给的任务后，向CPU发出中断信号，请求CPU的处理。这样就使得CPU基本上摆脱了I/O操作的处理工作，提高了CPU与设备之间的并行程序，从而提高了整个计算机系统的效率。 2024/7/22设备管理教学423 3、 通道指令和通道程序通道指令和通道程序 通通道道有有它它自自己己的的指指令令系系统统，用用这这些些指指令令编编写写的的程程序序叫叫通通道道程程序序，通通道道只只能能执执行行通通道道程程序序，不可能执行用户进程。不可能执行用户进程。通道程序保存在内存中通道程序保存在内

27、存中 通道程序是由通道指令组成，一个通道可以分时的方式执行几道程序。每道程序控制一台外部设备，因此每道通道程序称为子通道。2024/7/22设备管理教学434 4、通道的种类、通道的种类n字节多路通道：字节多路通道： 字节多路通道是以字节为基本传输单位，当一子通道控制的某台外设交换了一个字节后，就转向下一个子通道，以控制下一台设备传送一个字节。这就实现了子通道的循环轮转，以达到多路控制的目的，字节多路通道主要用来控制低速、并且以字节为基本传送单位的设备。如打印机。2024/7/22设备管理教学442024/7/22设备管理教学45n数据选择通道：数据选择通道： 这种通道一次执行一个通道程序，控

28、制一台设备连续地传送一批数据，当一个程序执行完后，才转向下一个程序，它的优点是传输速度高，缺点是一次只能控制一台设备进行I/O操作。它主要用来控制高速外设。如磁盘。选择通道选择通道2024/7/22设备管理教学46 n数据多路通道：数据多路通道： 这种通道是上述两种通道的折中，可以分时的方式执行多道程序，每道程序可传送一组数据。它主要用于中速设备的控制。如磁带机。在在一一大大型型系系统统中中可可以以同同时时存存在在这这三三种种类类型型的的通通道以便控制各种不同类型的设备。道以便控制各种不同类型的设备。 2024/7/22设备管理教学475 5、通道的工作过程、通道的工作过程某进程在运行过程中，

29、若提出了I/O请求，则通过系统调用进入操作系统，系统首先为I/O操作分配通道和外设，然后按I/O请求生成通道程序并存入内存，把起始地址送入通道的首地址寄存器（CAW），接着CPU发出启动通道的指令。2024/7/22设备管理教学48中央处理机启动通道后，通道的工作过程为：中央处理机启动通道后，通道的工作过程为：n根据CAW，从内存取出通道指令，送入通道控制字寄存器（CCW），并修改CAW，使其指向下一条通道指令。n执行CCW中的通道指令，进行实际的I/O操作，执行完毕后，如果还有下一条指令，则返回前一步，否则转下一步。n发出中断信号通知CPU通道程序已执行完成。 2024/7/22设备管理教学

30、496 6、瓶颈问题、瓶颈问题 n产生的原因： 通道不足n解决问题的方法： 增加设备到主机之间的通路2024/7/22设备管理教学507.3 7.3 缓冲技术缓冲技术n7.3.1 7.3.1 引言引言 n7.3.2 7.3.2 常用的缓冲技术常用的缓冲技术 2024/7/22设备管理教学51缓冲技术为什么要缓冲？（以字符设备为例） a)问题：问题：对于每个到来的字符，都必须启动用户进程 b)改进：改进：在用户空间提供一个包含n个字符的缓冲区，并执行读入n个字符的读操作 b)问题：问题：当一个字符到来时，若缓冲区被分页而调出内存，则必须锁定，过多锁定带来可用页面数降低，系统性能下降 c)改进：改

31、进：内核空间创建一个缓冲区2024/7/22设备管理教学52缓冲技术缓冲技术 缓和CPU与I/O设备之间速度的不匹配矛盾 提高CPU与I/O设备之间的并行程度 减少对CPU的中断频率，放宽对中断响应时间的限制企图将数据传输速度比较低的I/O设备（如，文件存储设备）改造成存取速度比较高的存储空间 代价：占用一部分内存空间用以构成缓冲存储区以及存放缓存管理程序 以内存空间换取时间的技术（借用了硬件设计中的高速缓冲存储器的思想）2024/7/22设备管理教学53缓冲技术缓存技术的效果取决于 在一段时间内各进程对同一信息存储的时间间隔很短，那么缓存中信息被重用的可能性就会增加，此时缓存技术的效果就显著

32、 缓冲存储区的数量（在内存容量允许的情况下，适当增加数量效果会提高） 缓冲管理算法（UNIX LRU算法）算法） 物理块读、写技术（读同步，预先读/读异步，写异步/延迟写）2024/7/22设备管理教学54缓冲技术缓冲区的分类 按设置方式硬缓冲：设备中设置，由硬件实现软缓冲：内存中设置，作为数据缓冲 按使用方式专用缓冲：专为某一设备而设置，它为某设备所专用，如键盘缓冲区通用缓冲：为多个设备所共享 按组织方式单缓冲双缓冲循环缓冲缓冲池内核空间中的缓冲区2024/7/22设备管理教学55缓冲技术实现 预先读 延迟写单缓冲双缓冲2024/7/22设备管理教学561、单缓冲、单缓冲最简单的一种缓冲形式

33、。当进程发出一最简单的一种缓冲形式。当进程发出一I/O请求请求时，时，OS为之分配一缓冲区。为之分配一缓冲区。对于输入：设备先将数据送入缓冲区，对于输入：设备先将数据送入缓冲区，OS再将再将数据传给进程。数据传给进程。对于输出：进程先将数据传入缓冲区，对于输出：进程先将数据传入缓冲区，OS再将再将数据送出到设备。数据送出到设备。2024/7/22设备管理教学57思考思考n单缓冲能加快进程的执行速度吗？单缓冲能加快进程的执行速度吗？2024/7/22设备管理教学582 2、双缓冲技术、双缓冲技术为了加快输入输出速度，引入双缓冲技术。为了加快输入输出速度，引入双缓冲技术。原理：原理：设置两个缓冲区

34、buf1和buf2。读入数据时，首先输入设备向buf1填入数据，然后进程从buf1提取数据，在进程从buf1提取数据的同时。输入设备向buf2中填数据。当buf取空时，进程又从buf2中提取数据，与此同时输入设备向buf1填数。如此交替使用两个缓冲区，使CPU和设备的并行操作的程度进一步提高。 2024/7/22设备管理教学593 3 环形缓冲技术环形缓冲技术当当生生产产和和消消费费数数据据的的速速度度基基本本匹匹配配时时，双双缓缓冲冲能能获获得得较较好好效效果果。但但若若两两者者速速度度相相差差甚甚远远时时，效效果果不不太太理理想想。但但随随着着缓缓冲冲区区的的数数量量增增加加，使情况有所改

35、善。因此引入环形缓冲技术。使情况有所改善。因此引入环形缓冲技术。2024/7/22设备管理教学60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。系统中有个缓冲区链首指针，指向第一个缓冲区，每个缓冲区中有一个指向下一个缓冲区的指针，最后一个缓冲区中的指针指向第一个缓冲区，从而形成环形缓冲区链。系统可循环使用这些缓冲区。环形缓冲区用于输入(输出)时，还要有两个指针IN和OUT。2024/7/22设备管理教学61nIN指向可接收数据的空闲缓冲区的首址，OUT指针指向装好数据且未取走的缓冲区首址。n系统初启时，指针被初始化为IN和OUT与首指针START相等，即ST

36、ART=IN=OUT。n对于输入信息而言，设备接收信息时，信息输入到IN指向的缓冲区，当一个缓冲区装满后，IN指针指向下一个空闲缓冲区;n当从缓冲区中提取信息时，提取由OUT指向的缓冲区中的信息，提取完毕，将OUT指针指向下一个装满信息的缓冲区。2024/7/22设备管理教学62n系统必须考虑到这种方案的约束条件，即INOUT( 初始状态除外)。n从设备输入信息的操作和提取信息的操作共用环形缓冲时有一定的同步关系:OUTIN。当OUT到达IN时，处理数据的进程必等待。由于该方案是个环形链;故当IN指针达到最后一个缓冲区时，它将指向START指针n当IN到达OUT时，从设备输入信息的操作也必须等

37、待。2024/7/22设备管理教学634 4、缓冲池、缓冲池环形缓冲区一般用于特定的进程，属于专用缓冲区，当系统较大时，将会有许多这样的环形缓冲区，这不仅要消耗大量的内存空间，利用率也不高。为了提高缓冲区的利用率，目前广泛流行公用缓冲池，池中的缓冲区可供多个进程共享。缓冲池由内存中一组大小相等的缓冲区组成，池中各缓冲区的大小与用于I/O的设备的基本信息单位相似，缓冲池属于系统资源，由系统进行管理。缓冲池中各缓冲区可用于输出信息，也可用于输入信息，并可根据需要组成各种缓冲区队列。 2024/7/22设备管理教学64 缓冲池 收容输入 提取输入 提取输出 收容输出hinsoutsinhout 用

38、户 程 序2024/7/22设备管理教学657.7.4 4 设设 备备 分分 配配n7.7.4.1 4.1 设备分配方式设备分配方式n7.7.4.2 4.2 设备分配算法设备分配算法n7.4.3 7.4.3 设备分配中的安全性设备分配中的安全性n7.4.4 7.4.4 设备分配的程序设备分配的程序n7.7.4.5 4.5 设备分配技术设备分配技术2024/7/22设备管理教学667.7.4.1 4.1 设备分配方式设备分配方式静态分配静态分配：在作业级进行的，当一个作业运行之前由系统一次分配满足需要的全部设备，这些设备一直为该作业占用，直到作业撤消。这种分配不会出现死锁，但设备的利用效率较低。

39、2024/7/22设备管理教学67动态分配动态分配在进程运行的过程中进行的，当进程需要使用设备时，通过系统调用命令向系统提出设备请求，系统按一定的分配策略给进程分配所需设备，一旦使用完毕立即释放。显然这种分配方式有利于提高设备的使用效率，但会出现死锁，这是应力求避免的。 2024/7/22设备管理教学687.7.4.2 4.2 设备分配算法设备分配算法n1 1、先请求先服务、先请求先服务n2 2、优先级高的优先服务、优先级高的优先服务2024/7/22设备管理教学697.4.3 设备分配中的安全性安全性n安全分配方式 每当进程发出一个I/O请求后，便进入阻塞状态，直到其I/O操作完成时才被唤醒

40、。当它运行时不保持任何设备资源，打破了产生死锁一个必要条件“请求和保持”，所以这种分配方式是安全的。但是这种分配算法使得CPU与I/O设备串行工作，设备的利用率比较低。n不安全分配方式 进程发出一个I/O请求后仍可以继续运行，需要时还可以发第二个I/O请求、第三个I/O请求。只有当进程所请求的设备已被另一个进程占用时，进程才进入阻塞状态。这种分配方式是不安全，因为它可能具备“请求和保持”条件，从而可能造成系统死锁。2024/7/22设备管理教学707.4.4 7.4.4 设备分配程序设备分配程序设设备备分分配配程程序序负负责责向向对对系系统统提提出出I/OI/O请请求求的的进进程程分分配配设设

41、备，及其相应的控制器和通道。备，及其相应的控制器和通道。1. 1. 设备分配中数据结构设备分配中数据结构数数据据结结构构有有：系统设备表（SDT）、设备控制表（DCT）、控制器控制表（COCT）、通道控制表（CHCT）。每个表的具体内容如下图所示。每个表的具体内容如下图所示。n在在整整个个系系统统中中，有有一一张张系系统统设设备备表表（SDTSDT），用用于于记记录录系系统统中中全全部部设设备备的的信信息息。每每个个设设备备占占一一个个表表目目，其其中中包包括括设设备备类类型型、设设备备标标识识符符、设设备备控控制制表表指指针针及设备驱动程序的入口地址等表项。及设备驱动程序的入口地址等表项。2

42、024/7/22设备管理教学71n系统为每一个设备都配置了一张设备控制表（DCT），用于记录该设备的情况。表中除了有用于指示设备类型的字段和设备标识符字段外，还应有下列字段：设备队列的队首指针：凡因请求本设备而未得到满足的进程，其PCB都应按照一定的策略排成一个队列，称为设备请求队列或简称为设备队列。其队首指针指向队首PCB，在有的系统中还设置了队尾指针。设备状态：当设备自身处于“忙”状态时，将设备的忙标志置“l”。若与该设备相连接的控制器或通道处于“忙”状态，而不能启动该设备，则将设备的等待标志置“l”。2024/7/22设备管理教学72设备分配程序-1COCT表指针：该指针指向与该设备相连

43、接的控制器的控制表。在具有多条通路的情况下，一个设备可与多个控制器相连接。此时，在DCT中应设置多个控制器表指针。重复执行次数：外部设备在传送数据时，若发生信息传送错误，系统并不立即认为传送失败，而是允许它重新传送。只要在规定的重复次数或时间内恢复正常传送，则仍认为传送成功，否则才认为传送失败。 2024/7/22设备管理教学73设备分配的数据结构图设备分配的数据结构图 SDT集合 SDT DCT集合 DCTCOCT集合 COCT CHCT集合 CHCT表目表目1表目表目i设备类型设备类型设备标识符设备标识符进程标识符进程标识符DCT表指针表指针驱动程序入口地址驱动程序入口地址表目表目1表目表

44、目i设备类型设备类型设备标识符设备标识符设备状态设备状态（等待等待/不等待，忙不等待，忙/闲）闲）COCT表指针表指针重复执行的次数或时间重复执行的次数或时间设备队列的队首指针设备队列的队首指针设备队列的队尾指针设备队列的队尾指针表目表目1表目表目i控制器标识符控制器标识符控制器状态（忙控制器状态（忙/闲）闲）CHCT表指针表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针控制器队列的队尾指针表目表目1表目表目i通道标识符通道标识符通道状态（忙通道状态（忙/闲）闲）COCT表指针表指针通道队列的队首指针通道队列的队首指针通道队列的队尾指针通道队列的队尾指针2024/7/22设备

45、管理教学74设备分配程序-22 2。设备分配的流程。设备分配的流程对于具有单通道的系统，则当进程提出I/O请求后，系统进行设备分配的流程图如下图。3 3。设备分配程序的改进。设备分配程序的改进 为了获得设备的独立性，进程应用逻辑设备名请求I/O。这样，系统首先从 SDT中找出第一个该类设备的DCT。如忙，则查找第二个该类设备的DCT，当所有该类设备都忙时，才把进程挂在该类设备的等待队列中。 实际上，系统为了提高可靠性和灵活性，通常采用多通路的I/O系统结构。此时对多个控制器和通道的分配，必须查找所有的控制器和通道，才能决定是否将该进程挂起。2024/7/22设备管理教学75 单通道系统的设备分

46、配流程单通道系统的设备分配流程 若忙 不忙 不安全 安全 不忙 忙 忙 不忙 进程进程P提出所需的提出所需的I/O设备设备根据物理设备名，从根据物理设备名，从SDTSDT中找出该设备的中找出该设备的DCTDCT由由DCTDCT的的设设备备状状态态字字段段，检检查查该该设设备备是是否否忙忙？将该进程的将该进程的PCBPCB插入到插入到该设备的等待队列中该设备的等待队列中检检查查本本次次设设备备分分配配是是否否安安全全性性？将此设备分配给该进程将此设备分配给该进程从从其其DCTDCT中中找找出出与与该该设设备备连连接接的的控控制制器的器的COCTCOCT，检查该控制器是否忙？，检查该控制器是否忙？

47、将该进程的将该进程的PCBPCB插入到插入到该控制器的的等待队列中该控制器的的等待队列中将该控制器分配给进程将该控制器分配给进程从从COCTCOCT中中找找到到与与该该控控制制器器连连接接的的通道的通道的CHCTCHCT，检查该通道是否忙，检查该通道是否忙？将该进程的将该进程的PCBPCB插入到插入到该通道的的等待队列中该通道的的等待队列中将该通道分配给进程将该通道分配给进程至此，设备、控制器和至此，设备、控制器和通道三者都已分配成功通道三者都已分配成功启动启动I/O设备，进行具体的设备，进行具体的I/O操作操作2024/7/22设备管理教学767.7.4.5 4.5 设备分配技术设备分配技术

48、根据设备的特性把设备分成独占设备、共享设备和虚拟设备三种。针对这三种设备采用三种分配技术:n独享分配独享分配n共享分配共享分配n虚拟分配虚拟分配2024/7/22设备管理教学77独享分配独享分配n独占型设备有行打印机，键盘，显示器。磁带机可作为独占设备，也可作为共享设备。n若对这些设备不采用独享分配就会造成混乱。因此对独占设备一般采用独享分配，即当进程申请独占设备时，系统把设备分配给这个进程，直到进程释放设备。 2024/7/22设备管理教学78共享分配共享分配n共享设备包括磁盘，磁带和磁鼓。n对这类设备的分配是采用动态分配的方式进行的，当一个进程要请求某个设备时，系统按照某种算法立即分配相应

49、的设备给请求者，请求者使用完后立即释放。 2024/7/22设备管理教学79虚拟分配虚拟分配n系统中独占设备的数量总是有限的，这些独占设备一旦分配给某个进程往往只有很少时间在工作，许多时间一直处于空闲状态。而别的进程又因得不到相应的设备而不能运行，因此严重地影响到整个计算机系统的效率。n从另一个角度来说，独占设备一般是低速的，若采用联机操作，也会增加进程的运行时间，影响计算机系统的效率。n为提高计算机系统的效率，提出了在高速共享设备上模拟低速设备功能的技术，称为虚拟设备技术。 2024/7/22设备管理教学80虚拟分配是针对虚拟设备而言的。其实现的过程是其实现的过程是: :当用户(或进程)申请

50、独占设备时。系统给它分配共享设备的一部分存储空间。当程序要与设备交换信息时，系统就把要交换的信息存放在这部分存储空间。在适当的时候再将存储空间的信息传输到相应的设备上去处理。2024/7/22设备管理教学81如系统打印信息时，就把要打印的信息送到某个存储空间中去，然后由系统在适当时机把存储空间上的信息送到打印机上打印出来。这个时机可能是打印机空闲或打印机完成了一用户的信息输出之后。通常人们把共享设备中代替独占设备的那部分存储空间和相应的控制结构称为虚拟设备，并把对这类设备的分配称作虚拟分配。2024/7/22设备管理教学82SPOOLing系统系统Simultaneaus Peripherna

51、l Operations On-Line(外部设备同时联机操作）。外部设备同时联机操作）。n在单道批处理时期，用脱机I/O可以提高CPU利用率。多道出现后可以利用一道程序来模拟脱机I/O中的外围机，这样可实现在主机控制下的脱机I/O功能。n我们把这种在联机情况下实现的同时外围操作称为SPOOLing，也称为假脱机操作。2024/7/22设备管理教学83SPOOLing系统的组成系统的组成n1、输入井和输出井、输入井和输出井n2、输入缓冲区和输出缓冲区、输入缓冲区和输出缓冲区n3、输入进程和输出进程、输入进程和输出进程2024/7/22设备管理教学84SPOOLing系统的组成系统的组成2024

52、/7/22设备管理教学85SPOOLing系统工作原理系统工作原理n作业执行前预先将程序和数据输入到输入井中n作业运行后，使用数据时，从输入井中取出n作业执行不必直接启动外设输出数据，只需将这些数据写入输出井中n作业全部运行完毕，再由外设输出全部数据和信息好处：实现了对作业输入、组织调度和输出的统一管理使外设在CPU直接控制下，与CPU并行工作（假脱机）2024/7/22设备管理教学86输入装置输入装置输入装置输入装置通通道道通通道道输出装置输出装置输出装置输出装置通通 道道 主机系统主机系统输入管输入管 输出管输出管理模块理模块 理模块理模块外外 存存输入井输入井 输出井输出井 SPOOLi

53、ng系统系统图示图示2024/7/22设备管理教学87SPOOLing系统的特点系统的特点1、提高了I/O速度2、将独占设备改造为共享设备3、实现了虚拟设备功能2024/7/22设备管理教学887.5 设备处理 设备处理程序又称设备驱动程序，它是I/O进程与设备控制器之间的通信程序（1 1）设备处理程序的功能和处理方式）设备处理程序的功能和处理方式1设备驱动程序的功能n接收上层软件发来的抽象要求（如read命令等），再把它转换成具体要求。2024/7/22设备管理教学89n检查用户I/O请求的合法性，了解I/O设备的状态，设置工作方式。n对于设置有通道的计算机系统，驱动程序还应能够根据用户的I

54、/O请求，自动地构成通道程序。n由驱动程序向设备控制器发出I/O命令，启动分配到的I/O设备，完成指定的I/O操作。n及时响应由控制器或通道发来的中断请求，并根据其中断调用相应的中断处理程序进行处理。2024/7/22设备管理教学902 设备处理方式 根据在设备处理时是否设置进程，以及设置什么样的进程，设备处理方式可分为以下三类：为每一类设备设置一个I/O进程，它专门执行这类设备的I/O操作。比如为所有的交互终端设置一个交互式终端进程。整个系统中设置一个I/O进程，全面负责系统的数据传送工作，I/O请求处理模块，设备分配模块以及缓冲器管理模块和中断原因分析、中断处理模块和后述的设备驱动模块都是

55、I/O进程的一部分。由于现代计算机系统设备十分复杂，I/O负担很重，因此，又可把I/O进程分为输入进程和输出进程。2024/7/22设备管理教学91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，供用户进程和系统进程调用。在UNIX系统中，每类设备都有一个驱动程序，用它来控制该类设备。任何一个驱动程序通常都包含了用于执行不同操作的多个函数，如打开、关闭、启动设备、读和写等函数。为使核心能方便地转向各函数，系统为每类设备提供了一个设备开关表，其中有该类设备的各函数的入口地址，它是核心与驱动的接口。如下图所示。2024/7/22设备管理教学92设备开关表是系统调用和驱动程序间的接

56、口设备开关表是系统调用和驱动程序间的接口 Open close Open close read write ioctl mount unmount read write 字符设备开关表字符设备开关表高高速速缓缓冲冲调用调用 块设备开关表块设备开关表Open close read write ioctl 驱动程序驱动程序设备中断处理程序设备中断处理程序Open close strategy 驱动程序驱动程序设备中断处理程序设备中断处理程序 中断向量中断向量 中断向量中断向量返72024/7/22设备管理教学93（2）设备处理程序的处理过程 每类设备有自己的设备处理程序，但大体上它们都再分成两部分

57、，主要用于启动设备的设备驱动程序和负责处理I/O完成工作的设备中断处理程序。1 1设备驱动程序的处理过程设备驱动程序的处理过程将用户和上层软件对设备控制的抽象要求转换成对设备的具体要求，如对抽象要求的盘块号转换为磁盘的盘面、磁道及扇区。2024/7/22设备管理教学94检查I/O请求的合理性。读出和检查设备的状态，确保设备处于就绪态。传送必要的参数，如传送的字节数，数据在主存的首址等。工作方式的设置。启动I/O设备，并检查启动是否成功，如成功则将控制返回给I/O控制系统，在I/O设备忙于传送数据时，该用户进程把自己阻塞，直至中断到来才将它唤醒，而CPU可干别的事。2024/7/22设备管理教学

58、952中断处理程序的处理过程 在设备控制器控制下，I/O设备完成了I/O操作后，控制器（或通道）便向CPU发出一中断请求，CPU响应后便转向中断处理程序，中断处理程序大致包含以下几步：在设置I/O进程时，当中断处理程序开始执行时，都必须去唤醒阻塞的驱动（程序）进程。在采用信号量机制时，可通过执行V操作，将处于阻塞状态的驱动（程序）进程唤醒。保护被中断进程的CPU现场。2024/7/22设备管理教学96分析中断原因，转入相应的设备中断处理程序。进程中断处理，判别此次I/O完成是正常结束中断还是异常结束中断，分别作相应处理。恢复被中断进程或由调度程序选中的进程的CPU的现场。返回被中断的进程，或进

59、入新选中的进程继续运行。n在UNIX中将以上对各类设备处理相同的部分集中起来，形成中断总控程序，每当要进行中断处理时，都要首先进入中断总控程序，再按需要转入不同的设备处理程序。2024/7/22设备管理教学97习题1在I/O设备控制的发展过程中，最主要的推动因素是A，提高I/O速度和设备利用率，在OS中主要依靠B功能。使用户所编制的程序与实际使用的物理设备无关是由C功能实现的。 A：（1）提高资源利用率；（2）提高系统吞吐量；（3）减少主机对I/O控制的干预；（4）提高CPU与I/O设备的并行操作程度。 B,C：（1）设备分配；（2）缓冲管理；（3）设备管理；（4）设备独立性；（5）虚拟设备。

60、2通道是一种特殊的A，具有B能力。 A：（1）I/O 设备；（2）设备控制器；（3）处理机；（4）I/O控制器。 B：（1）执行I/O指令集；（2）执行CPU指令集；（3）传输I/O命令；（4）运行I/O进程。 (解)2024/7/22设备管理教学98习题-12假定把磁盘上一个数据块中信息输入到一单缓冲的时间T为100us，将缓冲区中数据传送到用户区的时间M为50us,而CPU对这一块数据进行计算的时间C为50us，这样，系统对每一块数据的处理时间为A；如果将单缓冲改为双缓冲，则系统对每一块数据的处理时间为B。A,B：（1）50us;(2)100us;(3)150us;(4)200us;(5)

61、250us。3下面关于设备独立性的论述中，第A条是正确的论述。（1） 设备独立性是I/O设备具有独立执行I/O功能的一种特性。（2） 设备独立性是指用户程序独立于具体使用的物理设备的一种特性。（3） 设备独立性是指能独立实现设备共享的一种特性。（4） 设备独立性是指设备驱动独立于具体使用的物理设备的一种特性。 (解)2024/7/22设备管理教学99习题-25下面关于虚拟设备的论述中，第A条是正确的论述。（1） 虚拟设备是指允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备。（2） 虚拟设备是指允许用户以标准化方式来使用物理设备。（3） 虚拟设备是把一个物理设备变换成多个对应的逻辑设备。（4） 虚拟

62、设备是指允许用户程序不必全部装入内存便可使用系统中的设备。2024/7/22设备管理教学1006下列有关SPOOLing系统的论述中，第A和第B条是正确的论述 。（1）构成SPOOLing系统的基本条件，是具有外围输入机与外围输出机。（2）构成SPOOLing系统的基本条件，是只要具有大容量、高速硬盘作为输入井与输出井。（3）只要操作系统中采用了多道程序设计技术，就可以构成SPOOLing系统。2024/7/22设备管理教学101习题-3（4） SPOOLing系统是建立在分时系统中。（5） SPOOLing系统是虚拟存储技术的体现。（6） SPOOLing系统是在用户程序要读取数据时起动输入进程输入数据。（7） 当输出设备忙时，SPOOLing系统中的用户程序暂停执行，待I/O 空闲时再被唤醒，去执行输出操作。（8） SPOOLing系统实现了对I/O设备的虚拟，只要输入设备空闲，SPOOLing可预先将输入数据从设备传输到输入井中供用户程序随时读取。（9） 在SPOOLing系统中，用户程序可以随时将输出数据送到输出井中，待输出设备空闲时再执行数据输出操作。 (解)7.试述多通路I/O系统设备管理中数据结构。(解)2024/7/22设备管理教学