第三章進(jìn)程管理

1、第六章 設(shè)備管理Devices Management,設(shè)備管理不但要管理實(shí)際I/O操作的設(shè)備（如磁盤機(jī)、打印機(jī)），還要管理諸如設(shè)備控制器、DMA控制器、中斷控制器、I/O處理機(jī)（通道）等支持設(shè)備。設(shè)備管理包括各種設(shè)備分配、緩沖區(qū)管理和實(shí)際物理I/O設(shè)備操作，通過管理達(dá)到提高設(shè)備利用率和方便用戶。設(shè)備管理是操作系統(tǒng)中最繁雜而且與硬件緊密相關(guān)的部分。,外設(shè)特性差異的表現(xiàn),速度（數(shù)據(jù)傳輸速度差別相當(dāng)大）千兆網(wǎng)卡顯示卡硬盤以太網(wǎng)卡

2、光盤掃描儀激光打印機(jī)軟盤調(diào)制解調(diào)器鼠標(biāo)鍵盤,傳輸單位字節(jié)(鍵盤、打印機(jī)）/字符塊（軟硬盤）/位（串口）具體操作方式僅寫/僅讀/可讀寫出錯(cuò)原因：打印機(jī)的缺紙、磁盤的校驗(yàn)錯(cuò)誤等,高數(shù)據(jù)傳輸率,I/O設(shè)備的分類,按與主機(jī)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯挝环肿址O(shè)備：以字符為單位進(jìn)行輸入、輸出的設(shè)備。每輸入或輸出一個(gè)字符就要中斷一次主機(jī)CPU請求進(jìn)行處理，所以又稱慢速字符設(shè)備。塊設(shè)備：以字符塊為單位進(jìn)行輸入、輸出的設(shè)備。例如：硬盤,I

3、/O設(shè)備的分類,按與主機(jī)之間的交互方式分詢問方式（Query）：實(shí)時(shí)系統(tǒng)中必需采用，在一般簡單系統(tǒng)中也廣泛采用，但系統(tǒng)開銷較大，每次進(jìn)行輸入輸出工作，都需要由主機(jī)CPU干預(yù)中斷方式（Interrupt）：有硬中斷和軟中斷之分，中斷按級別分類排隊(duì)工作；可按字符、字、塊的傳遞產(chǎn)生中斷；實(shí)時(shí)控制常用實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷，起自動控制作用；中斷工作主要由中斷請求、中斷響應(yīng)和中斷服務(wù)處理組成。“中斷”的產(chǎn)生使管理工作更能“自動化”DMA方式（Dire

4、ct Memory Access） ：有硬通道和軟通道之分，硬通道，例如，典型的DMA工作方式；軟通道是軟件設(shè)計(jì)中使用的各種“標(biāo)識”、“緩沖”等;I/O通道（I/O處理機(jī))：專用于處理I/O的處理機(jī)醫(yī)生查房（“詢問”），以便及時(shí)掌握病情。病床旁紅燈是緊急請求 醫(yī)生按鈕（“中斷請求”）。常規(guī)醫(yī)療處理醫(yī)生委托護(hù)士（“硬通道”）去做。但護(hù)士只有執(zhí)行權(quán)而無修改權(quán)。,I/O設(shè)備的分類(cont.),按設(shè)備的讀/寫物理特性分順序存儲設(shè)備：磁帶

5、機(jī)隨機(jī)存儲設(shè)備 ：磁盤、光盤按是否可以共享分共享設(shè)備獨(dú)占設(shè)備虛擬設(shè)備按數(shù)據(jù)接口的傳輸方式分并行設(shè)備串行設(shè)備,設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn),串行設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)RS-232: 用于接串口mouse、外置modemUSB: 分1.1和2.0兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394:多媒體設(shè)備接口,接DVSATA并行設(shè)備接口標(biāo)準(zhǔn)Parallel:接打印機(jī)、加密狗..IDE:硬盤、光驅(qū),UDMA/66SCSI: 硬盤、光驅(qū)、掃描儀,USB,USB

6、 ，是 Universal Serial Bus 的縮寫，如果按中文直接翻譯就是“通用串行總線”接口，它是一種串行總線系統(tǒng)，帶有5V電壓，支持即插即用功能，支持熱拔插功能，最多能同時(shí)連入127個(gè)USB設(shè)備，由各個(gè)設(shè)備均分帶寬。它誕生于1994年，當(dāng)時(shí)是由 PC 界的幾位“巨人”——康柏、IBM、Intel和Microsoft共同推出的，旨在統(tǒng)一外設(shè)如打印機(jī)、外置Modem、掃描儀、鼠標(biāo)等的接口，以便于安裝使用，取代以往的串口、并口和P

7、S/2接口，可是 USB 標(biāo)準(zhǔn)真正頒布已經(jīng)是 1996年了，當(dāng)時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)是 USB1.0，直到1998年，USB才迎來了真正的春天——首先是業(yè)界巨頭們坐下來制定了USB1.1標(biāo)準(zhǔn)，使USB技術(shù)更加成熟可靠；接著Win98發(fā)布，宣布正式對USB接口提供支持，USB才真正發(fā)展起來（注：在Win98之前，Win97也能支持USB，不過沒有廣泛使用。）,IEEE1394,IEEE1394，又稱作“ Firewire ”即“火線”。

8、早在1985年，蘋果公司就已經(jīng)開始著手研究“火線”技術(shù)，并取得了很大成效；但是這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)正式確立，卻是10年之后了。它是IEEE（電氣與電子工程師協(xié)會）于1995年正式制定的總線標(biāo)準(zhǔn)。由于IEEE1394的數(shù)據(jù)傳輸速率相當(dāng)快，因此有時(shí)又叫它“高速串行總線”。信息家電和高端服務(wù)器等領(lǐng)域，IEEE1394就以其超快的速度成為該領(lǐng)域的唯一選擇。,USB 與 IEEE1394,總線標(biāo)準(zhǔn),主板擴(kuò)充插槽的接口標(biāo)準(zhǔn)ISAPCIAGP 專用于

9、顯示系統(tǒng)PCI Express,,I/O子系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu),設(shè)備管理子系統(tǒng)的任務(wù)為用戶提供一個(gè)統(tǒng)一的、友好的使用界面負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)中的各種設(shè)備根據(jù)不同設(shè)備完成的實(shí)際操作，跟蹤記錄設(shè)備的各種不同狀態(tài)，并處理該設(shè)備可能出現(xiàn)的各種錯(cuò)誤優(yōu)化設(shè)備的調(diào)度，提高設(shè)備的利用率,設(shè)備管理子系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),進(jìn)程,邏輯設(shè)備,物理設(shè)備驅(qū)動程序,實(shí)際硬件,,,,,,,設(shè)備驅(qū)動程序--------------------初始化設(shè)備數(shù)據(jù)傳

10、遞返回I/O控制系統(tǒng),I/O控制系統(tǒng)--------------------阻塞進(jìn)程驗(yàn)證I/O請求調(diào)用驅(qū)動程序狀態(tài)檢驗(yàn)喚醒調(diào)用進(jìn)程返回調(diào)用進(jìn)程,,,I/O子系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)（cont.),設(shè)備的獨(dú)立性（設(shè)備無關(guān)性）應(yīng)用程序獨(dú)立于具體使用的物理設(shè)備。一個(gè)程序應(yīng)獨(dú)立于它使用的設(shè)備程序要盡可能地與它使用的設(shè)備類型無關(guān)優(yōu)點(diǎn)方便用戶編程使用程序的運(yùn)行不受具體的機(jī)器環(huán)境的限制如果配備打印機(jī)，輸入信息送到打印機(jī)，否則可

11、將輸出重定向到某個(gè)指定文件便于程序移植,I/O子系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)（cont.),設(shè)備驅(qū)動程序的功能Windows 系統(tǒng)中只要提供設(shè)備的驅(qū)動程序，操作系統(tǒng)就會自動把這個(gè)設(shè)備注冊到內(nèi)核系統(tǒng)中Linux系統(tǒng)中，很多設(shè)備驅(qū)動程序已編譯到內(nèi)核中，其它設(shè)備的驅(qū)動程序可編譯成系統(tǒng)模塊的方式，使用“inmod”將模塊動態(tài)插入系統(tǒng)內(nèi)核設(shè)備驅(qū)動程序的具體工作設(shè)備驅(qū)動程序的特點(diǎn)是請求I/O的進(jìn)程與設(shè)備控制器間的一個(gè)通信程序與I/O設(shè)備的特性緊

12、密相關(guān)與I/O控制方式緊密相關(guān)可以用匯編或高級語言開放驅(qū)動程序WinDriverDDK資源：驅(qū)動開發(fā)網(wǎng)(www.driverdevelop.com),I/O的控制方式,程序直接控制方式中斷方式DMA方式通道技術(shù),I/O的控制方式-程序直接控制,由于CPU中無中斷機(jī)構(gòu)，I/O設(shè)備無法向CPU報(bào)告它已完成了一個(gè)字符的輸入操作，導(dǎo)致CPU不停地檢查它要取的數(shù)據(jù)是否已達(dá)寄存器。在I/O操作時(shí)CPU忙等工作過程非常簡單，但

13、CPU利用率很低,I/O的控制方式-中斷方式,設(shè)備控制器負(fù)責(zé)向CPU匯報(bào)數(shù)據(jù)是否已到達(dá)（以中斷方式）；以字（節(jié)）為單位進(jìn)行I/O的；CPU以字（節(jié)）為單位進(jìn)行干預(yù)。,I/O的控制方式-DMA方式,引入設(shè)備DMA控制器，在其控制下，以數(shù)據(jù)塊為單位，將數(shù)據(jù)從設(shè)備直接送入內(nèi)存或相反；實(shí)質(zhì)上還是以字（節(jié)）為單位進(jìn)行傳輸，不過這種傳輸可以連續(xù)進(jìn)行而已，形成數(shù)據(jù)塊。,DMA原理,CPU issues request to a DMA module

14、(separate module or incorporated into I/O module)CPU 向DMA模塊發(fā)出操作請求DMA module transfers a block of data directly to or from memory (without going through CPU)DMA模塊直接存取一塊內(nèi)存數(shù)據(jù)An interrupt is sent when the task is complet

15、e存取操作結(jié)束DMA模塊發(fā)出中斷The CPU is only involved at the beginning and end of the transferCPU僅在數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹬箷r(shí)參與The CPU is free to perform other tasks during data transfer數(shù)據(jù)傳輸過程中CPU可執(zhí)行其它任務(wù),總線周期挪用 Cycle stealing,利用CPU不訪問存儲器的那些周期來實(shí)現(xiàn)D

16、MA操作，此時(shí)，DMAC可以使用總線而不用通知CPU也不會妨礙CPU的工作。這種方法的關(guān)鍵是如何識別合適的可挪用的周期，以避免同CPU的操作發(fā)生重疊?？偩€裁決器,I/O通道,雖然 DMA方式比中斷驅(qū)動方式已顯著地減少了CPU的干預(yù)，即由以字（節(jié)）為單位的干預(yù)減少到以數(shù)據(jù)塊為單位的干預(yù)。但是CPU每發(fā)出一條I/O指令，也只能去讀（或?qū)懀┮粋€(gè)連續(xù)的數(shù)據(jù)塊。而當(dāng)我們需要一次去讀多個(gè)離散的數(shù)據(jù)塊且將它們分別傳送到不同的內(nèi)存區(qū)域，或者相反時(shí)，則

17、需由CPU分別發(fā)出多條I/O指令及進(jìn)行多次中斷處理，才能完成。 由于DMA每次只能執(zhí)行一條I/O指令，不能滿足復(fù)雜的I/O操作要求。在大、中型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，普遍采用由專用的I/O處理機(jī)來接受CPU的委托，獨(dú)立執(zhí)行自己的通道程序來實(shí)現(xiàn)I/O設(shè)備與內(nèi)存之間的信息交換，這就是通道技術(shù)。通道技術(shù)可以進(jìn)一步減少 CPU的干預(yù)，即把對一個(gè)數(shù)據(jù)塊為單位的讀（或?qū)懀┑母深A(yù)，減少到對一組數(shù)據(jù)塊為單位的讀（或?qū)懀┑挠嘘P(guān)的控制和管理的干預(yù)。這樣可實(shí)

18、現(xiàn) CPU、通道和I/O設(shè)備三者之間的并行工作，從而更有效地提高了整個(gè)系統(tǒng)的資源利用率和運(yùn)行速度。,I/O處理機(jī)（I/O通道）,I/O通道共分為4級：,I/O通道程序,通道是通過執(zhí)行通道程序，并與設(shè)備控制器來共同實(shí)現(xiàn)對I/O設(shè)備的控制。通道程序是由一系列的通道指令（或稱為通道命令）所構(gòu)成。通道指令與一般的機(jī)器指令不同，在每條指令中包含的信息較多，有操作碼、內(nèi)存地址、計(jì)數(shù)（讀或?qū)憯?shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）、通道程序結(jié)束位P和記錄結(jié)束標(biāo)志R。,通道類型

19、,由于外圍設(shè)備的種類較多，且其傳輸速率相差很大，所以通道也具有多種類型。根據(jù)信息交換方式，可以把通道分成以下三種類型：字節(jié)多路通道（Byte Multiplexor Channel）數(shù)組選擇通道（Block Selector Channel）數(shù)組多路通道（Block Multiplexor Channel）,字節(jié)多路通道Byte Multiplexor Channel,在這種通道中，通常都含有較多個(gè)（8，16，32）非分配型子

20、通道，每一個(gè)子通道連接一臺I/O設(shè)備。這些子通道按時(shí)間片輪轉(zhuǎn)方式共享主通道。一個(gè)子通道完成一個(gè)字節(jié)的傳送后，立即讓出字節(jié)多路通道（主通道），給另一個(gè)子通道使用。它適用于連接低速或中速設(shè)備，如打印機(jī)、終端等。,數(shù)組選擇通道Block Selector Channel,這種通道雖然可以連接多臺I/O設(shè)備，但是它只有一個(gè)分配型子通道，在一段時(shí)間內(nèi)只能執(zhí)行一道通道程序、控制一臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，其數(shù)據(jù)傳送是按數(shù)組方式進(jìn)行。即當(dāng)某臺設(shè)備一旦占用

21、了該通道，就被它獨(dú)占，直至該設(shè)備傳送完畢釋放該通道為止?？梢?，它適于連接高速設(shè)備（如磁盤機(jī)、磁帶機(jī)），但是這種通道的利用率較低。,數(shù)組多路通道Block Multiplexor Channel,數(shù)組選擇通道雖然有很高的傳輸速率，但它每次只允許一個(gè)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)組多路通道是將數(shù)組選擇通道的傳輸速率高和字節(jié)多路通道的分時(shí)并行操作的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，形成的一種新的通道。它含有多個(gè)非分配型子通道，可以連接多臺高、中速的外圍設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳送卻是按

22、數(shù)組方式進(jìn)行。所以這種通道既具有很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，又能獲得令人滿意的通道利用率。,IBM S/390的通道結(jié)構(gòu),,,硬盤（溫硬）基本基礎(chǔ)知識,硬盤（溫硬）基本基礎(chǔ)知識主軸 (5400/7200/10000轉(zhuǎn)每分）盤片移動臂/磁頭臂磁頭電子電路,磁盤的容量總?cè)萘?磁頭數(shù)*柱面數(shù)*每磁道的扇區(qū)數(shù)*每扇區(qū)的字節(jié)數(shù),硬盤府視圖,,硬盤的磁頭臂,,,硬盤磁頭讀寫時(shí)的運(yùn)行,磁盤的訪問時(shí)間,尋道時(shí)間（Seek Time)不是一個(gè)固定值

23、一般在幾毫秒~幾十毫秒間旋轉(zhuǎn)延遲時(shí)間(Rotational Delay Time)與旋轉(zhuǎn)速度有關(guān)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間(Transfer Time)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸率: 10~100MB/s外部數(shù)據(jù)傳輸率取存時(shí)間（Access Time)尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,合理調(diào)度, 提高整個(gè)磁盤系統(tǒng)的運(yùn)行效率 （1）整個(gè)磁盤系統(tǒng)的吞吐量（2）平均響應(yīng)時(shí)間（3）公平性（不希望出現(xiàn)餓死現(xiàn)象）,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,先

24、來先服務(wù)算法（FCFS）只考慮申請者申請的先后次序完成磁盤訪問操作可能造成磁頭臂來回反復(fù)移動，增長了等待時(shí)間，而且對機(jī)械結(jié)構(gòu)不利,,,,1,2,3,4,,,,,,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,最短尋道時(shí)間優(yōu)先算法(Shortest Seek-Time First)以申請者要求磁頭移動距離的大小作為優(yōu)先的因素靠近當(dāng)前磁頭位置的申請者迅速得到滿足，防止了磁頭的大幅度來回?cái)[動可能使一些申請者在較長時(shí)間內(nèi)得不得服務(wù)的機(jī)會,,,,1,2,3

25、,4,,,,,,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,掃描算法（SCAN）按一個(gè)固定的方向?qū)ふ易罱枰L問的磁道，直到這個(gè)方向上不能再進(jìn)行后轉(zhuǎn)向，如此往復(fù)進(jìn)行磁頭遍歷所有磁道的時(shí)間為T，最長等待2T電梯算法：改進(jìn)的掃描算法，在前進(jìn)方向上沒有需要訪問的磁道時(shí)就轉(zhuǎn)向建立兩個(gè)獨(dú)立的等待隊(duì)列，向上掃視隊(duì)列和向下掃視隊(duì)列磁頭臂向上運(yùn)行時(shí)，調(diào)度向上隊(duì)列，反之調(diào)度向下隊(duì)列申請者的目的柱面號大于當(dāng)前柱面號時(shí)，掛入向中隊(duì)列，其它情況掛入向下隊(duì)列向上隊(duì)列

26、的調(diào)度原則是柱面號小者優(yōu)先，向下隊(duì)列調(diào)度原則是柱面號大者優(yōu)先當(dāng)調(diào)度隊(duì)列為空時(shí)，磁頭改變移動方向,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,掃描算法（SCAN）單向掃描算法（C-SCAN）算法前進(jìn)到未端或無請求時(shí)磁頭臂回到起始位置N步掃描算法(N-Stop-Scan)將所有進(jìn)程的請求按請求時(shí)間分很多個(gè)段（每個(gè)隊(duì)列中有N個(gè)請求）一段時(shí)間內(nèi)的請求位于一個(gè)特定的請求隊(duì)列中循環(huán)地服務(wù)每個(gè)隊(duì)列是FCFS和SCAN的折中,實(shí)例,假設(shè)磁盤有200個(gè)柱面

27、（0-199），磁盤調(diào)度起始位置為100，訪問串為：18，19，8，147，85，177，79,149，112，179，10,多進(jìn)程訪問磁盤的調(diào)度算法,旋轉(zhuǎn)優(yōu)化如何處理相同磁道不同扇區(qū)的請求若某磁道上先后有訪問請求3、1、2，需要旋轉(zhuǎn)兩圈若對將訪問順序改為1、2、3,磁頭臂,1,2,3,,某磁道,,旋轉(zhuǎn)型存儲設(shè)備上信息的優(yōu)化分布能減少若干輸入輸出服務(wù)的總時(shí)間。例有10個(gè)扇區(qū)，每扇區(qū)存一個(gè)記錄，現(xiàn)在要處理該磁道上順序存儲的A至J的1