第九章 設備管理

1、第九章 設備管理,9.1 設備管理概述9.2 數(shù)據(jù)傳輸控制方式9.3 中斷技術9.4 緩沖技術9.5 磁盤驅動調度9.6 設備分配,9.1 設備管理概述,設備分類設備管理的功能和任務設備控制器,9.1.1 設備分類,1、按設備性質分類： 存儲設備和輸入輸出設備,2、按設備從屬關系： 系統(tǒng)設備和用戶設備,3、按設備共享屬性： 獨享設備、共享設備和虛擬設備,4、按信息交換單元： 塊設備和字符設備,9.1.2 設

2、備管理的功能和任務,設備管理的主要任務：,強調設備的獨立性選擇和控制設備與內存、中央處理器進行交換傳輸數(shù)據(jù)按照一定的算法把設備分配給對該設備提出請求的進程，保證系統(tǒng)政策工作。充分有效地使用設備，盡可能提高設備的并行操作程度，使OS獲得最佳的效率。,設備管理的功能：,設備分配設備控制緩沖管理,9.1.3 設備控制器,CPU,內存,磁盤驅動器,磁盤控制器,打印機,打印機控制器,其他控制器,,,,,,,,,控制器設備接口,,,,主機

3、,『說明』,利用單總線把各種各樣的設備聯(lián)系起來了。設備控制器處于CPU和I/O設備之間，它接收從CPU發(fā)來的命令，并區(qū)控制I/O設備工作。其目的是使CPU從繁雜的設備控制事務中解脫出來。設備控制器應能接收和識別CPU發(fā)來的各種命令，實現(xiàn)CPU與控制器，控制器與設備之間的數(shù)據(jù)交換，記錄設備狀態(tài)供CPU查詢，還應能識別它所控制的每個設備的地址。因此，控制器中應設置控制器存放接收的命令及參數(shù)。,9.2 設備傳輸控制方式,程序直接控

4、制方式中斷控制方式直接存儲器存取方式通道控制方式,9.2.1 程序直接控制方式,處理機對I/O的控制采用程序直接控制方式。當用戶進程需要輸入數(shù)據(jù)時，由處理機向設備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動設備進行輸入，在設備輸入數(shù)據(jù)期間，處理機通過循環(huán)執(zhí)行測試指令不間斷地檢測設備狀態(tài)寄存器的值，當狀態(tài)寄存器的值顯示設備輸入完成時處理機將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)取出，送入內存指定單元，然后再啟動設備去讀下一個數(shù)據(jù)。反之，當用戶進程需要向設備輸出數(shù)據(jù)時，也

5、必須同樣發(fā)啟動設備輸出并等待輸出操作完成。,外圍設備,接收到Start命令,做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準備,標志觸發(fā)器置“Done”,等待CPU的下一條指令,準備完畢？,,,,,,,,,,是,CPU,發(fā)Start命令,等待,執(zhí)行下一條指令開始數(shù)據(jù)傳送,設備標志觸發(fā)器為“Done”?,,,,,,,否,,,,,優(yōu)點：,工作過程簡單，不需要更多的硬件支持,缺點：,CPU和外圍設備只能進行串行工作CPU在一段時間內只能和一臺外圍設備交換數(shù)據(jù)信息，不能

6、實現(xiàn)設備之間并行工作。程序直接控制方式只適用于那些CPU執(zhí)行速度較慢，而且外圍設備較少的系統(tǒng)。,9.2.2 中斷控制方式,就是為了減少CPU和外部設備進行傳遞信息時完全由CPU來進行控制的這種局面而引入的。,在I/O中斷方式下，數(shù)據(jù)的輸入按如下步驟操作。,需要數(shù)據(jù)的進程通過CPU發(fā)出啟動外設輸入數(shù)據(jù)的指令，該指令同時置狀態(tài)寄存器的中斷允許位。在進程發(fā)出指令啟動設備之后，該進程放棄CPU,等待輸入完成。這時進程調度程序可以調度其他就

7、緒進程占據(jù)CPU。當輸入工作完成時，I/O控制器通過中斷請求向CPU發(fā)出中斷信號。CPU在接收到中斷處理信號之后，轉去執(zhí)行設備中斷處理程序。設備中斷處理程序把輸入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)傳到相應的位置上去。同時還把等待輸入完成的那個進程喚醒，再返回到被中斷的進程繼續(xù)執(zhí)行。在以后的某個時刻，進程調度程序選中提出請求輸入的進程，該進程從指定的內存單元中取出數(shù)據(jù)做進一步處理。,中斷控制方式的優(yōu)缺點：,與程序直接控制方式相比，中斷方式使CPU的利

8、用率大幅提高了。設備每輸入/輸出一個數(shù)據(jù)都要求中斷CPU,這樣在一次數(shù)據(jù)傳送過程中，中斷發(fā)生次數(shù)較多，耗去大量CPU處理時間。,9.2.3 直接存儲器存取方式,在DMA方式中，I/O控制器具有更強的功能。它除了具有上述中斷功能外，還有一個DMA控制機構。在DMA控制器控制下，設備和主存之間可成批地進行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU干預。這樣大大減輕了CPU的負擔，也使I/O數(shù)據(jù)傳送速度大大提高。,DMA方式下進行數(shù)據(jù)輸入的過程如下：,當進程要求

9、設備輸入一批數(shù)據(jù)時，CPU將準備存放輸入數(shù)據(jù)的內存起始地址以及要傳送的字節(jié)數(shù)分別送入DMA控制器中的內存地址寄存器和傳送字節(jié)計數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動位置“1”，以啟動設備開始進行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進程進入等待狀態(tài)，進程調度程序調度其他進程占據(jù)CPU. 輸入設備不斷地挪用CPU工作周期，將數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)寫入內存，直到所要求的字節(jié)全部傳送完畢。DMA控制器在傳送字節(jié)數(shù)完成時通過中斷請求線發(fā)出中斷信號，CPU

10、收到中斷信號后轉中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進程，并返回被中斷程序。在以后的某個時刻，進程調度程序選中提出請求輸入的進程，該進程從指定的內存起始地址取出數(shù)據(jù)作進一步處理。,DMA方式與中斷的主要區(qū)別：,中斷方式在每個數(shù)據(jù)傳送完成后中斷CPU，而DMA則是在所要求傳送的一批數(shù)據(jù)全部傳送結束時中斷CPU.中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時由CPU完成，而DMA則是在DMA控制器的控制下完成。,9.2.4 通道控制方式,字節(jié)多路通道→強

11、調在數(shù)據(jù)的傳輸過程當中，以字節(jié)作為傳輸數(shù)據(jù)的基本單位。選擇通道→選擇一個固定的通道并一直為它服務。數(shù)組多路通道→強調的是：數(shù)據(jù)的傳輸以一個數(shù)組為基本單位。,是專門用來輸入和輸出的處理機，它控制內存和設備直接進行數(shù)據(jù)交換。包括通道的地址字和狀態(tài)字。,按信息交換方式，可以把通道分為：,通道指令一般包含數(shù)據(jù)在內存中的地址，傳送方向，數(shù)據(jù)塊長度及I/O設備的地址信息，特征信息。,通道指令格式,通道控制方式的數(shù)據(jù)輸入過程如下：,當進程要求

12、輸入數(shù)據(jù)時，CPU發(fā)出啟動指令指明I/O操作，設備號和對應通道。對應通道接收到CPU發(fā)來的啟動指令之后，把存放在內存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序、控制設備。如果數(shù)據(jù)傳送結束，就向CPU發(fā)出中斷請求。CPU收到中斷信號后轉中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進程，并返回被中斷程序。在以后的某個時刻，進程調度程序選中提出請求輸入的進程，該進程從指定的內存中起始地址取出數(shù)據(jù)，作進一步處理。,通道控制方式的特點：,CPU和通道是共享一

13、段內存空間的，它們可以并行工作，可以提高工作效率。,9.3 中斷技術,中斷的基本概念中斷的分類與優(yōu)先級多中斷中斷處理過程,9.3.1 中斷的基本概念,中斷：系統(tǒng)對異步事件的響應。,異步事件：無一定時序關系的隨機發(fā)生的事件。,中斷源：引起中斷發(fā)生的事件稱為中斷源,中斷請求：中斷源向CPU發(fā)出的請求中斷處理的信號。,中斷響應：CPU收到中斷請求后轉相應事件處理程序的過程稱為中斷響應。,斷點：發(fā)生中斷時，剛執(zhí)行完的那條指令就是中斷的

14、斷點。,恢復點：斷點的邏輯后繼指令的單元號。,中斷現(xiàn)場：指中斷的那一時刻能確保程序繼續(xù)運行的有關信息。,關中斷：PSW的中斷允許位的設置稱為開中斷，開中斷和關中斷均為了保證程序 執(zhí)行的原子性。,中斷向量：存放的處理機狀態(tài)字與中斷處理程序入口地址一起構成中斷向量。,中斷屏蔽：指系統(tǒng)用軟件方式有選擇地封鎖部分中斷而允許其他部分中斷。,9.3.2 中斷的分類與優(yōu)先級,根據(jù)中斷源把中斷分為：,1、外中斷：指來自處

15、理機和內存之外的中斷。2、內中斷：指在處理機和內部產生的中斷，也稱為陷入或異常。,IBM-PC的中斷分為可屏蔽中斷、不可屏蔽中斷、程序錯誤中斷、軟中斷。,當同時出現(xiàn)多個相同級別的中斷請求時，一般的采用如下的兩種方法處理：,(1) 固定的優(yōu)先級(2) 輪轉法,9.3.3 多中斷,處理多個中斷有2種方法： 1、在處理一個中斷時，禁止再發(fā)生中斷 優(yōu)點：方法簡單，因為所有中斷都嚴格按順序處理。

16、 缺點：沒有考慮相對優(yōu)先級和時間限制范圍。 2、定義中斷優(yōu)先級，允許高優(yōu)先級的中斷引發(fā)低優(yōu)先級的中斷處理程序自身的中斷。,9.3.4 中斷處理過程,保護被中斷進程現(xiàn)場分析中斷原因，查中斷向量表取得中斷處理程序的地址，以便轉去執(zhí)行相應的中斷處理程序?；謴捅恢袛噙M程的現(xiàn)場，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來的進程。,9.4 緩沖技術,緩沖技術的引入緩沖的種類緩沖池示例,9.4.1 緩沖技術的引入,緩沖的實現(xiàn)方法有2種： 1

17、、采用硬件緩沖器實現(xiàn)，例如I/O控制器中的數(shù)據(jù)緩沖器。 2、在內存劃出一塊存儲區(qū)，專門用來臨時存放輸入/輸出數(shù)據(jù)，這個區(qū)域稱為緩沖區(qū)。,9.4.2 緩沖的種類,根據(jù)系統(tǒng)設置的緩沖區(qū)個數(shù)，可以將緩沖技術分為： 1、單緩沖； 2、雙緩沖； 3、環(huán)形緩沖； 4、緩沖池,設一個緩沖池中有N個緩沖區(qū)，對其進行管理時，就會考慮到緩沖區(qū)互斥訪問的問題。設定義描述資源的信號量buff,初值為“N”，由于構成緩沖池的操作

18、需要互斥進行，為此定義用于互斥的信號量mutex,初值為“1”。,系統(tǒng)中設有2個緩沖區(qū)管理程序，分別用于緩沖區(qū)的分配和釋放。,1. 申請一個緩沖區(qū) P(buff); P(mutex); 由鏈頭取一個緩沖區(qū)分配； V(mutex); 返回緩沖區(qū)指針；,2. 釋放一個緩沖區(qū) P(mutex); 將釋放的緩沖區(qū)鏈到鏈頭； V(mutex); V(b

19、uff); 返回緩沖區(qū)指針；,緩沖池屬于操作系統(tǒng)空間，用戶程序不能直接對其進行操作，只能通過系統(tǒng)調用來間接地使用它們。,9.4.3 緩沖池示例,Hash(哈希）,頭緩沖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,空閑隊列,,9.5 磁盤驅動調度,旋轉延遲：等待相應扇區(qū)轉到磁頭下所需的時間。尋道時間：將磁臂移動到相應的柱面上所需的時間。實際傳輸時間,讀寫一個磁盤塊的時間由三個因素決定,9.5.1 查找優(yōu)化,查找優(yōu)化：就

20、是減少平均尋道時間的策略。,,,0,1,9,12,16,34,36,11,,.,,,,,,,1、先來先服務策略(FCFS),例：,一個具有40個柱面的磁盤。假設一個讀柱面11上的一個數(shù)據(jù)塊的請求到達，當對柱面11進行尋道時，又順序到達了新的請求。要求尋道1、36、16、9、 34 、2，系統(tǒng)將這些請求進程插入到等待隊列。當前請求（柱面11）服務結束后，磁盤驅動程序要選擇下一個請求進行處理。,2、最短尋道時間優(yōu)先策略(SSF)：就是當前所

21、在的磁道離哪個磁道近就向哪個磁道移動,,,0,1,9,12,16,34,36,,.,11,,,,,,,3、電梯算法(掃描算法)：就是具有方向性的SSF.,,,0,1,9,12,16,34,36,,.,,,,,,,9.5.2 旋轉優(yōu)化,為減少旋轉延遲,對同一磁道上的連續(xù)讀寫信息進行合理分布稱為旋轉優(yōu)化,例：,考慮10個數(shù)據(jù)塊A，B,…J存放在同一個磁道上，設每個磁道有10個扇區(qū)。如果按A,B,…,J順序從0扇區(qū)開始依次存放。并且順序處

22、理這些數(shù)據(jù)。當磁盤旋轉速度為20毫秒，處理程序讀出每個記錄后花4毫秒時間處理。則讀出并處理數(shù)據(jù)塊A后，將轉到數(shù)據(jù)塊D開始。所以，為了讀出記錄B，必須再轉一周。,問題：1）處理10個數(shù)據(jù)塊的總時間為多少？ 2）如果采用旋轉優(yōu)化策略，按A,H,E,B,I,F,C,J,G,D順序從0扇區(qū)開始依次 存放，當讀出數(shù)據(jù)A后，恰好轉到數(shù)據(jù)塊B的開始。按照這一方案，處

23、 理10個總數(shù)據(jù)塊的時間為多少？,,,,,,,,,A,B,C,D,J,,,,,E,F,G,I,H,,,,,,,,,A,H,E,G,,,,,B,I,F,J,C,D,9.6 設備分配,實際上是作為用戶來講，怎么有效地分配自己所使用設備資源。強調的是設備的獨立性。,9.6.1 設備分配中的數(shù)據(jù)結構,為了實現(xiàn)對I/O設備的管理和控制，需要對每臺設備、通道、控制器的情況進行登記。設備分配程序依據(jù)這些信息進行設備分配。,設備類

24、型設備標識設備控制表指針,設備類型設備標識設備忙閑標志COCT指針該等待隊列隊首該等待隊列隊尾,控制器標識控制器忙閑標識CHCT指針該等待隊列隊首該等待隊列隊尾,通道標識通道忙閑標識該等待隊列隊首該等待隊列隊尾,,,,,,,,,,9.6.2 設備分配策略,1、靜態(tài)分配和動態(tài)分配,(1) 靜態(tài)分配:是在作業(yè)級進行的，用戶作業(yè)開始執(zhí)行之前由系統(tǒng)一次性分配

25、 該作業(yè)要求的全部設備，控制器和通道。,(2) 動態(tài)分配:是在進程執(zhí)行過程中根據(jù)執(zhí)行需要進行的設備分配。,2、I/O設備分配算法,(1) 先請求先服務(2) 優(yōu)先級高者優(yōu)先,3、設備分配步驟,(1) 分配設備(2) 分配控制器(3) 分配通道,9.6.3 設備的使用性質,按照設備自身的使用性質，可以采用以下三種不同的分配方式,(1) 獨立分配策略(2) 共享分配策略(3) 虛擬分配策

26、略,9.7 虛擬設備,Spooling系統(tǒng)主要包括以下3個部分,輸入井和輸出井：這是磁盤上開辟的2個存儲區(qū)域。輸入井模擬脫機輸入時的磁盤，用于收容I/O設備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井模擬脫機輸出時的磁盤，用于收容用戶程序的輸出結果。輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：這是在內存中開辟的2個緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設備送來的數(shù)據(jù)以后再傳送到輸入井。輸出緩沖區(qū)用于暫存從輸出井送來的數(shù)據(jù)以后再傳到輸出設備。輸入進程和輸出進程：輸入進程模擬脫機輸入時