第4單元設備管理

1、第4單元 設備管理,設備特點各異，如何管？,設備的分類設備管理的目標設備管理功能舉例,,設備分類,2,塊設備又稱存儲設備，是存儲信息的設備，如：磁盤、磁鼓。 (以塊為單位傳輸信息)字符設備又稱輸入輸出設備，能將信息從計算機外部輸入到機內， 或反之，如：鍵盤、顯示器、打印、調制解調器、網(wǎng)卡等,,設備管理的目標,3,3,提高設備利用率合理分配設備提高設備與CPU、各外部設備之間的并行性方便用戶的使用

2、 提供使用方便且獨立于設備的界面統(tǒng)一：對各種不同的設備提供一致的界面獨立于設備：用戶使用的設備與物理設備無關,,設備管理分為兩層,,硬件相關層,,硬件無關層,一段操縱外設的程序,(1) 不論什么設備都是open, read, write, close操作系統(tǒng)為用戶提供統(tǒng)一的接口!,(2) 不同的設備對應不同的設備文件(/dev/something)根據(jù)設備文件找到控制器的地址、內容格式等等!,,,,,各層合作完成設備訪問,

3、,鍵盤命令,,磁盤命令,設備驅動,,,鍵盤控制器,磁盤控制器,,中斷處理,,,中斷處理,,,,鍵盤,磁盤,,,稱為I/O系統(tǒng),,5,設備獨立性概念① 什么是設備獨立性 所謂設備獨立性是指，用戶在程序中使用的設備與實際使 用的設備無關，也就是在用戶程序中僅使用邏輯設備名。② 邏輯設備名 邏輯設備名，是用戶自己指定的設備名 (或設備號)，它是 暫時的、可更改的。③ 物理設備名 物理設

4、備名，是系統(tǒng)提供的設備的標準名稱，它是永久 的、不可更改的。,設備獨立性,,int fd = open(“/dev/something”);for (int i = 0; i < 10; i++) {write(fd,i,sizeof(int));}close(fd);,,可不可以邏輯名都省略？,設備驅動,① 一個程序獨立于分配給它的某種類型的具體設備 系統(tǒng)可以根據(jù)設備的使用情況，動態(tài)地

5、分配給程序某類設 備中的任一臺物理設備，程序都能正確地執(zhí)行。② 程序應盡可能與它所使用的I/O設備類型無關 在輸入 (或輸出)信息時，信息可以從不同類型的輸入 (或 輸出)設備上輸入 (或輸出)，若要改變輸入 (或輸出) 設備 的類型，程序只需進行最少的修改。,兩種類型的設備獨立性,第2種方案很多高級語言采用,,設備管理做什么？,（1）提供一組I/O命令，以便用戶進程能夠在程序中提出I

6、/O請求，這是用戶使用外部設備的“界面”；（2）記住各種設備的使用情況，實現(xiàn)設備的分配與回收；（3）對緩沖區(qū)進行管理，解決設備與設備之間、設備與CPU之間的速度匹配問題；（4）按照用戶的具體請求，啟動設備，通過不同的設備驅動程序，進行實際的I/O操作；I/O操作完成之后，通過中斷將結果通知用戶進程，從而實現(xiàn)真正的I/O操作。,,無關層,相關層,請求I/O的進程、I/O系統(tǒng)、設備驅動進程、中斷處理程序之間的同步關系,設備管理分成兩部

7、分,12,I/O子系統(tǒng)驅動程序,,I/O子系統(tǒng),42,將邏輯設備轉換為物理設備獲得 I/O系統(tǒng)調用中給出的邏輯設備名(ldev)根據(jù)邏輯設備描述器，將邏輯設備名轉換為物理設備名合法性檢查獲得 I/O系統(tǒng)調用中給出的操作模式mode根據(jù)DCB中命令轉換表中允許的操作，檢查操作的合法性形成I/O請求塊，發(fā)消息給對應的設備處理進程根據(jù)請求的參數(shù)形成I/O請求塊(IORB)將I/O請求塊(IORB)掛到對應的設備請求隊列,I/

8、O子系統(tǒng)的功能,設計數(shù)據(jù)結構緩沖區(qū)管理設備分配,,設備控制塊,什么是設備控制塊(DCB )系統(tǒng)為每一臺設備都配置了一個用來記錄設備的硬件特性、連接和使用情況等一組數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構，稱為設備控制塊。,設備控制塊的內容,9,設備名設備的系統(tǒng)名，即設備的物理名。設備屬性是描述設備現(xiàn)行狀態(tài)的一組屬性命令轉換表 轉換表包含設備驅動程序的入口地址,,,命令轉換表（開關表）作用,,,緩沖區(qū)管理,什么是緩沖 緩沖

9、是兩種不同速度的設備之間傳輸信息時平滑傳輸過程 的常用手段。緩沖類別緩沖器 緩沖器是用來暫時存放數(shù)據(jù)的一種存儲裝置，它容量 較小，存取速度快。軟件緩沖 在I/O操作期間用來臨時存放I/O數(shù)據(jù)的一塊內存區(qū)域。,為什么要引入緩沖,19,處理數(shù)據(jù)流的生產(chǎn)者與消費者間的速度差異協(xié)調傳輸數(shù)據(jù)大小不一致的設備,常用的緩沖技術,20,單緩沖雙緩沖緩沖隊列以

10、及緩沖池,,單緩沖讀,①,②,③,②與③需要同步,單緩沖寫,②與③需要同步,①,②,③,,雙緩沖輸入,輸入設備,BUF1,①,②,③,BUF2,,,②,③,雙緩沖輸出,輸出設備,BUF1,①,②,③,BUF2,②,③,,,25,19,雙緩沖區(qū)既用于輸入，也用于輸出數(shù)據(jù)時,輸入設備,BUF1,①,②,③,BUF2,②,③,輸出設備,,,,,,,預先緩存,,,延遲發(fā)送,緩沖池---------UNIX緩沖管理算法,緩沖池中有2種隊列,27

11、,23,設備緩沖區(qū)隊列 與某類設備有關的所有緩沖區(qū)組成的隊列稱為設備緩沖區(qū)隊列，簡稱b鏈。,緩沖池中有2種隊列,空閑緩沖區(qū)隊列 可供重新分配使用的緩沖區(qū)組成的隊列稱為空閑緩沖區(qū)隊列，簡稱av鏈。,緩沖區(qū)的組成緩存數(shù)組 —— 含有磁盤上的數(shù)據(jù)的存儲器數(shù)組緩存首部 —— 描述緩沖區(qū)特性的數(shù)據(jù)結構,緩沖管理數(shù)據(jù)結構,緩存首部結構,設備號dev緩沖區(qū)所包含的信息所屬設備的設備號塊號blkno由設備號指出的設備

12、上相對于第0塊的塊號狀態(tài)flag——描述了緩沖區(qū)當前的狀態(tài)忙標志BUSY：緩沖區(qū)當前正“忙” 有效位AVE：緩沖包含的數(shù)據(jù)有效延遲寫DELWR ：核心在某緩沖區(qū)重新分配出去之前必須把緩沖區(qū)內容寫到磁盤上寫標志W(wǎng)RITE： 核心當前正把緩沖區(qū)的內容寫到磁盤讀標志READ：核心當前正從磁盤往緩沖區(qū)寫信息等待位 WAIT： 一個進程當前正在等候緩沖區(qū)變?yōu)榭臻e,緩沖管理算法,一個buf被分配用于讀/寫某設備上的塊時

13、 置B_ BUSY=1，位于b鏈上，不在av鏈上； 當讀/寫操作結束時 釋放該buf，置B_BUSY=0，仍留在b鏈上，并送入 av鏈尾； 若進程需要的信息在buf中時 在該設備的b鏈上找到，置B_BUSY=1；從av鏈上摘 除，使用完后，又送入av鏈，鏈入隊尾。,緩

14、沖管理算法,對空閑buf空隊列的處理 當需要一個空閑buf時，總是取空閑buf隊列(av鏈) 的 首元素； 一個使用過的buf釋放時，插入到空閑buf隊列(av鏈) 的隊尾。 對延遲寫的處理 當一個具有延遲寫標記的buf移到av

15、鏈頭，要用于分 配時，立即進行寫操作。從av鏈上摘除，使用完后 又送入av頭部。,,使用過的buf盡量晚的分配出去需要寫設備時盡量晚點寫,設備分配,設備分配的辦法和設備的特點相關常用的設備分配技術：獨享分配共享分配虛擬分配,,有了虛擬分配技術，所有的設備都可以采用共享分配方式,獨享設備讓一個作業(yè)在整個運行期間獨占使用的設備。特點 臨界資源費時的I/

16、O操作或需人工干預 獨享分配（靜態(tài)分配） 在一個作業(yè)執(zhí)行前，將它所要使用的設備分配給它；當它結束撤離時，將分配給它的這類設備收回。,對于打印機………,,共享設備可以交替使用的設備稱為共享設備。特點旋轉設備，可直接或隨機訪問便于共享，轉接簡單，耗費較少,對于磁盤………..,共享分配（動態(tài)分配）：用時分配，不用時釋放,,要是打印機也能像磁盤一樣用？,30,虛擬設備技術 所謂虛擬設備技術

17、，是在一類物理設備上模擬另一類物理設備的技術，是將獨占設備轉化為共享設備的技術。,虛擬設備 通常把用來代替獨占型設備的那部分外存空間(包括有關的控制表格)稱為虛擬設備。虛擬分配 當進程需要與獨占型設備交換信息時，系統(tǒng)將分配磁盤空間，并建立相應的數(shù)據(jù)結構，這種分配方法稱為設備的虛擬分配。,早期虛擬設備技術,37,33,SPOOLING系統(tǒng)利用通道和中斷技術，在主機控制之下，由通道完成輸入輸出工作。系統(tǒng)

18、提供一個軟件系統(tǒng)，它提供預輸入和緩輸出的功能，使外部設備可以并行操作。這一軟件系統(tǒng)稱為SPOOLING系統(tǒng)。SPOOLING系統(tǒng)的優(yōu)點提供虛擬設備外圍設備同時聯(lián)機操作加快作業(yè)處理速度,32,設計思想預輸入 在作業(yè)需要數(shù)據(jù)前，OS已將所需數(shù)據(jù)預先輸入到輔存輸入井存放。 當作業(yè) (或進程) 需要數(shù)據(jù)時，可直接從輔存中讀入主存。緩輸出 在在作業(yè)執(zhí)行

19、時，將輸出數(shù)據(jù)寫入輔存輸出井中。當作業(yè) (或進程) 執(zhí)行完畢 (或需要數(shù)據(jù)時) ，由操作系統(tǒng)將數(shù)據(jù)輸出。,SPOOLING系統(tǒng)組成,硬件大容量的輔存空間 通道裝置、中斷系統(tǒng)軟件預輸入表、緩輸出表：描述輔存輸入井和輸出井的狀態(tài)變化。預輸入程序、緩輸出程序、井管理程序,,設備處理(驅動)程序,定義 設備處理程序是直接控制設備運轉的程序，它根據(jù)各類設備的特點和性能來編寫。每一類設備有一個相應的設備

20、處理程序，能控制同類中多臺物理設備同時工作。,作用 設備驅動程序層的作用是為內核I/O子系統(tǒng)隱藏設備控制器之間的差異。將I/O子系統(tǒng)與硬件分離，簡化了操作系統(tǒng)開發(fā)人員的任務，也有利于設備的設計與制造。,讓鍵盤、顯示器工作起來……,,,,CPU向控制器中的寄存器讀寫數(shù)據(jù),控制器完成真正的工作，并向CPU發(fā)中斷信號,,讓磁盤工作起來…,,,,CPU向磁盤控制器中的寄存器讀寫數(shù)據(jù),磁盤控制器完成真正的工作，并向CPU發(fā)中斷信號,

21、,,所謂“設備無關性”，是指()。A．I/O設備具有獨立執(zhí)行I/O功能的特性B．用戶程序中使用的設備名與具體的物理設備無關C．設備驅動程序與具體的物理設備無關D．系統(tǒng)能夠獨立地實現(xiàn)設備共享,例子,操作系統(tǒng)設備管理功能的內部結構設計一般是基于分層的思想，因此，通常將I/O軟件組織成四個層次：用戶應用層軟件、中斷處理程序、獨立于設備的軟件和設備驅動程序。采用分層思想的主要目的是_(1)__ 。當用戶進程提出I/O請求訪問硬件時：需要

22、按“ __(2)__ ”的層次結構進行。(1)A．便于即插即用　B．減少系統(tǒng)占用的空間C．便于系統(tǒng)修改、擴充和移植　D．提高處理速度(2)A．進程請求I/O一獨立于設備的軟件一中斷處理程序一設備驅動程序一硬件　B．進程請求I/O一獨立于設備的軟件—設備驅動程序一中斷處理程序一硬件　C．進程請求I/O一設備驅動程序一中斷處理程序一獨立于設備的軟件一硬件　D．進程請求I/O一設備驅動程序一獨立于設備的軟件一中斷處理程序一硬

23、件,,設備管理的層次及功能,,,相關層,無關層,,在設備管理中，是由（）完成真正的I/O操作的。A．輸入/輸出管理程序B．設備驅動程序C．中斷處理程序D．設備啟動程序,,設備驅動程序是系統(tǒng)提供的一種通道程序，它專門用于在請求I/O的進程與設備控制器之間傳輸信息。下面的選項中不是設備驅動程序功能的是（ ）。（A）檢查用戶I/O請求的合法性 （B）及時響應由控制器或通道發(fā)來的中斷請求 （C）控制I/O設備的I/O操作

24、（D）了解I/O設備的狀態(tài)，傳送有關參數(shù)，設置設備的工作方式,舉例,某文件占10個磁盤塊，現(xiàn)將該文件磁盤塊一一讀入內存，并送用戶區(qū)分析。設一個緩沖區(qū)大小和磁盤塊一樣大，從磁盤讀入到緩沖區(qū)的時間為100us，從緩沖區(qū)讀入用戶區(qū)域要50us，cpu對數(shù)據(jù)分析需要50us，是分別計算在單緩沖區(qū)和雙緩沖區(qū)的情況下，讀入并分析該文件的時間。,,通常，緩沖池位于（）中。A．設備控制器 B．輔助存儲器C．主存儲器D

25、．寄存器,,利用SPOOL技術實現(xiàn)虛擬設備的目的是（）。A．把獨享的設備變?yōu)榭梢怨蚕鞡．便于獨享設備的分配C．便于對獨享設備的管理D．便于獨享設備與CPU并行工作,,設備管理是分層管理的，分為硬件相關部分和硬件無關部分。操作系統(tǒng)可以只做無關部分，硬件相關部分即設備驅動程序，這部分操作系統(tǒng)可以不做，但是會提供一種方式讓其作為操作系統(tǒng)的一部分運行無關層又叫I/O子系統(tǒng)，主要做設備的分配，為各種設備建立緩沖區(qū)。,,裝了OS后的計算