第九章 設(shè)備管理

1、第九章 設(shè)備管理,9.1 設(shè)備管理概述9.2 數(shù)據(jù)傳輸控制方式9.3 中斷技術(shù)9.4 緩沖技術(shù)9.5 磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)度9.6 設(shè)備分配,9.1 設(shè)備管理概述,設(shè)備分類設(shè)備管理的功能和任務(wù)設(shè)備控制器,9.1.1 設(shè)備分類,1、按設(shè)備性質(zhì)分類： 存儲(chǔ)設(shè)備和輸入輸出設(shè)備,2、按設(shè)備從屬關(guān)系： 系統(tǒng)設(shè)備和用戶設(shè)備,3、按設(shè)備共享屬性： 獨(dú)享設(shè)備、共享設(shè)備和虛擬設(shè)備,4、按信息交換單元： 塊設(shè)備和字符設(shè)備,9.1.2 設(shè)

2、備管理的功能和任務(wù),設(shè)備管理的主要任務(wù)：,強(qiáng)調(diào)設(shè)備的獨(dú)立性選擇和控制設(shè)備與內(nèi)存、中央處理器進(jìn)行交換傳輸數(shù)據(jù)按照一定的算法把設(shè)備分配給對(duì)該設(shè)備提出請(qǐng)求的進(jìn)程，保證系統(tǒng)政策工作。充分有效地使用設(shè)備，盡可能提高設(shè)備的并行操作程度，使OS獲得最佳的效率。,設(shè)備管理的功能：,設(shè)備分配設(shè)備控制緩沖管理,9.1.3 設(shè)備控制器,CPU,內(nèi)存,磁盤驅(qū)動(dòng)器,磁盤控制器,打印機(jī),打印機(jī)控制器,其他控制器,,,,,,,,,控制器設(shè)備接口,,,,主機(jī)

3、,『說(shuō)明』,利用單總線把各種各樣的設(shè)備聯(lián)系起來(lái)了。設(shè)備控制器處于CPU和I/O設(shè)備之間，它接收從CPU發(fā)來(lái)的命令，并區(qū)控制I/O設(shè)備工作。其目的是使CPU從繁雜的設(shè)備控制事務(wù)中解脫出來(lái)。設(shè)備控制器應(yīng)能接收和識(shí)別CPU發(fā)來(lái)的各種命令，實(shí)現(xiàn)CPU與控制器，控制器與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換，記錄設(shè)備狀態(tài)供CPU查詢，還應(yīng)能識(shí)別它所控制的每個(gè)設(shè)備的地址。因此，控制器中應(yīng)設(shè)置控制器存放接收的命令及參數(shù)。,9.2 設(shè)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(chǔ)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(jī)對(duì)I/O的控制采用程序直接控制方式。當(dāng)用戶進(jìn)程需要輸入數(shù)據(jù)時(shí)，由處理機(jī)向設(shè)備控制器發(fā)出一條I/O指令啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行輸入，在設(shè)備輸入數(shù)據(jù)期間，處理機(jī)通過(guò)循環(huán)執(zhí)行測(cè)試指令不間斷地檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)寄存器的值，當(dāng)狀態(tài)寄存器的值顯示設(shè)備輸入完成時(shí)處理機(jī)將數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)取出，送入內(nèi)存指定單元，然后再啟動(dòng)設(shè)備去讀下一個(gè)數(shù)據(jù)。反之，當(dāng)用戶進(jìn)程需要向設(shè)備輸出數(shù)據(jù)時(shí)，也

5、必須同樣發(fā)啟動(dòng)設(shè)備輸出并等待輸出操作完成。,外圍設(shè)備,接收到Start命令,做接收或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備,標(biāo)志觸發(fā)器置“Done”,等待CPU的下一條指令,準(zhǔn)備完畢？,,,,,,,,,,是,CPU,發(fā)Start命令,等待,執(zhí)行下一條指令開(kāi)始數(shù)據(jù)傳送,設(shè)備標(biāo)志觸發(fā)器為“Done”?,,,,,,,否,,,,,優(yōu)點(diǎn)：,工作過(guò)程簡(jiǎn)單，不需要更多的硬件支持,缺點(diǎn)：,CPU和外圍設(shè)備只能進(jìn)行串行工作CPU在一段時(shí)間內(nèi)只能和一臺(tái)外圍設(shè)備交換數(shù)據(jù)信息，不能

6、實(shí)現(xiàn)設(shè)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(shè)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(shè)備進(jìn)行傳遞信息時(shí)完全由CPU來(lái)進(jìn)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(jìn)程通過(guò)CPU發(fā)出啟動(dòng)外設(shè)輸入數(shù)據(jù)的指令，該指令同時(shí)置狀態(tài)寄存器的中斷允許位。在進(jìn)程發(fā)出指令啟動(dòng)設(shè)備之后，該進(jìn)程放棄CPU,等待輸入完成。這時(shí)進(jìn)程調(diào)度程序可以調(diào)度其他就

7、緒進(jìn)程占據(jù)CPU。當(dāng)輸入工作完成時(shí)，I/O控制器通過(guò)中斷請(qǐng)求向CPU發(fā)出中斷信號(hào)。CPU在接收到中斷處理信號(hào)之后，轉(zhuǎn)去執(zhí)行設(shè)備中斷處理程序。設(shè)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(yīng)的位置上去。同時(shí)還把等待輸入完成的那個(gè)進(jìn)程喚醒，再返回到被中斷的進(jìn)程繼續(xù)執(zhí)行。在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存單元中取出數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理。,中斷控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)：,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(shè)備每輸入/輸出一個(gè)數(shù)據(jù)都要求中斷CPU,這樣在一次數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，中斷發(fā)生次數(shù)較多，耗去大量CPU處理時(shí)間。,9.2.3 直接存儲(chǔ)器存取方式,在DMA方式中，I/O控制器具有更強(qiáng)的功能。它除了具有上述中斷功能外，還有一個(gè)DMA控制機(jī)構(gòu)。在DMA控制器控制下，設(shè)備和主存之間可成批地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，而不用CPU干預(yù)。這樣大大減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，也使I/O數(shù)據(jù)傳送速度大大提高。,DMA方式下進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入的過(guò)程如下：,當(dāng)進(jìn)程要求

9、設(shè)備輸入一批數(shù)據(jù)時(shí)，CPU將準(zhǔn)備存放輸入數(shù)據(jù)的內(nèi)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(nèi)存地址寄存器和傳送字節(jié)計(jì)數(shù)器；另外，還要將中斷位和啟動(dòng)位置“1”，以啟動(dòng)設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入并允許中斷。發(fā)出數(shù)據(jù)要求的進(jìn)程進(jìn)入等待狀態(tài)，進(jìn)程調(diào)度程序調(diào)度其他進(jìn)程占據(jù)CPU. 輸入設(shè)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(nèi)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(shí)通過(guò)中斷請(qǐng)求線發(fā)出中斷信號(hào)，CPU

10、收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并返回被中斷程序。在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存起始地址取出數(shù)據(jù)作進(jìn)一步處理。,DMA方式與中斷的主要區(qū)別：,中斷方式在每個(gè)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(jié)束時(shí)中斷CPU.中斷方式的數(shù)據(jù)傳送是在中斷處理時(shí)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(qiáng)

11、調(diào)在數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程當(dāng)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(gè)固定的通道并一直為它服務(wù)。數(shù)組多路通道→強(qiáng)調(diào)的是：數(shù)據(jù)的傳輸以一個(gè)數(shù)組為基本單位。,是專門用來(lái)輸入和輸出的處理機(jī)，它控制內(nèi)存和設(shè)備直接進(jìn)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(nèi)存中的地址，傳送方向，數(shù)據(jù)塊長(zhǎng)度及I/O設(shè)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(guò)程如下：,當(dāng)進(jìn)程要求

12、輸入數(shù)據(jù)時(shí)，CPU發(fā)出啟動(dòng)指令指明I/O操作，設(shè)備號(hào)和對(duì)應(yīng)通道。對(duì)應(yīng)通道接收到CPU發(fā)來(lái)的啟動(dòng)指令之后，把存放在內(nèi)存中的通道指令程序讀出，并執(zhí)行通道程序、控制設(shè)備。如果數(shù)據(jù)傳送結(jié)束，就向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求。CPU收到中斷信號(hào)后轉(zhuǎn)中斷處理程序，喚醒等待輸入完成的進(jìn)程，并返回被中斷程序。在以后的某個(gè)時(shí)刻，進(jìn)程調(diào)度程序選中提出請(qǐng)求輸入的進(jìn)程，該進(jìn)程從指定的內(nèi)存中起始地址取出數(shù)據(jù)，作進(jìn)一步處理。,通道控制方式的特點(diǎn)：,CPU和通道是共享一

13、段內(nèi)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(shù),中斷的基本概念中斷的分類與優(yōu)先級(jí)多中斷中斷處理過(guò)程,9.3.1 中斷的基本概念,中斷：系統(tǒng)對(duì)異步事件的響應(yīng)。,異步事件：無(wú)一定時(shí)序關(guān)系的隨機(jī)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(qǐng)求：中斷源向CPU發(fā)出的請(qǐng)求中斷處理的信號(hào)。,中斷響應(yīng)：CPU收到中斷請(qǐng)求后轉(zhuǎn)相應(yīng)事件處理程序的過(guò)程稱為中斷響應(yīng)。,斷點(diǎn)：發(fā)生中斷時(shí)，剛執(zhí)行完的那條指令就是中斷的

14、斷點(diǎn)。,恢復(fù)點(diǎn)：斷點(diǎn)的邏輯后繼指令的單元號(hào)。,中斷現(xiàn)場(chǎng)：指中斷的那一時(shí)刻能確保程序繼續(xù)運(yùn)行的有關(guān)信息。,關(guān)中斷：PSW的中斷允許位的設(shè)置稱為開(kāi)中斷，開(kāi)中斷和關(guān)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(jī)狀態(tài)字與中斷處理程序入口地址一起構(gòu)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(jí),根據(jù)中斷源把中斷分為：,1、外中斷：指來(lái)自處

15、理機(jī)和內(nèi)存之外的中斷。2、內(nèi)中斷：指在處理機(jī)和內(nèi)部產(chǎn)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(cuò)誤中斷、軟中斷。,當(dāng)同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)相同級(jí)別的中斷請(qǐng)求時(shí)，一般的采用如下的兩種方法處理：,(1) 固定的優(yōu)先級(jí)(2) 輪轉(zhuǎn)法,9.3.3 多中斷,處理多個(gè)中斷有2種方法： 1、在處理一個(gè)中斷時(shí)，禁止再發(fā)生中斷 優(yōu)點(diǎn)：方法簡(jiǎn)單，因?yàn)樗兄袛喽紘?yán)格按順序處理。

16、 缺點(diǎn)：沒(méi)有考慮相對(duì)優(yōu)先級(jí)和時(shí)間限制范圍。 2、定義中斷優(yōu)先級(jí)，允許高優(yōu)先級(jí)的中斷引發(fā)低優(yōu)先級(jí)的中斷處理程序自身的中斷。,9.3.4 中斷處理過(guò)程,保護(hù)被中斷進(jìn)程現(xiàn)場(chǎng)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(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序?；謴?fù)被中斷進(jìn)程的現(xiàn)場(chǎng)，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的進(jìn)程。,9.4 緩沖技術(shù),緩沖技術(shù)的引入緩沖的種類緩沖池示例,9.4.1 緩沖技術(shù)的引入,緩沖的實(shí)現(xiàn)方法有2種： 1

17、、采用硬件緩沖器實(shí)現(xiàn)，例如I/O控制器中的數(shù)據(jù)緩沖器。 2、在內(nèi)存劃出一塊存儲(chǔ)區(qū)，專門用來(lái)臨時(shí)存放輸入/輸出數(shù)據(jù)，這個(gè)區(qū)域稱為緩沖區(qū)。,9.4.2 緩沖的種類,根據(jù)系統(tǒng)設(shè)置的緩沖區(qū)個(gè)數(shù)，可以將緩沖技術(shù)分為： 1、單緩沖； 2、雙緩沖； 3、環(huán)形緩沖； 4、緩沖池,設(shè)一個(gè)緩沖池中有N個(gè)緩沖區(qū)，對(duì)其進(jìn)行管理時(shí)，就會(huì)考慮到緩沖區(qū)互斥訪問(wèn)的問(wèn)題。設(shè)定義描述資源的信號(hào)量buff,初值為“N”，由于構(gòu)成緩沖池的操作

18、需要互斥進(jìn)行，為此定義用于互斥的信號(hào)量mutex,初值為“1”。,系統(tǒng)中設(shè)有2個(gè)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(qǐng)一個(gè)緩沖區(qū) P(buff); P(mutex); 由鏈頭取一個(gè)緩沖區(qū)分配； V(mutex); 返回緩沖區(qū)指針；,2. 釋放一個(gè)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(duì)其進(jìn)行操作，只能通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)間接地使用它們。,9.4.3 緩沖池示例,Hash(哈希）,頭緩沖,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,空閑隊(duì)列,,9.5 磁盤驅(qū)動(dòng)調(diào)度,旋轉(zhuǎn)延遲：等待相應(yīng)扇區(qū)轉(zhuǎn)到磁頭下所需的時(shí)間。尋道時(shí)間：將磁臂移動(dòng)到相應(yīng)的柱面上所需的時(shí)間。實(shí)際傳輸時(shí)間,讀寫一個(gè)磁盤塊的時(shí)間由三個(gè)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(shí)間的策略。,,,0,1,9,12,16,34,36,11,,.,,,,,,,1、先來(lái)先服務(wù)策略(FCFS),例：,一個(gè)具有40個(gè)柱面的磁盤。假設(shè)一個(gè)讀柱面11上的一個(gè)數(shù)據(jù)塊的請(qǐng)求到達(dá)，當(dāng)對(duì)柱面11進(jìn)行尋道時(shí)，又順序到達(dá)了新的請(qǐng)求。要求尋道1、36、16、9、 34 、2，系統(tǒng)將這些請(qǐng)求進(jìn)程插入到等待隊(duì)列。當(dāng)前請(qǐng)求（柱面11）服務(wù)結(jié)束后，磁盤驅(qū)動(dòng)程序要選擇下一個(gè)請(qǐng)求進(jìn)行處理。,2、最短尋道時(shí)間優(yōu)先策略(SSF)：就是當(dāng)前所

21、在的磁道離哪個(gè)磁道近就向哪個(gè)磁道移動(dòng),,,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(zhuǎn)優(yōu)化,為減少旋轉(zhuǎn)延遲,對(duì)同一磁道上的連續(xù)讀寫信息進(jìn)行合理分布稱為旋轉(zhuǎn)優(yōu)化,例：,考慮10個(gè)數(shù)據(jù)塊A，B,…J存放在同一個(gè)磁道上，設(shè)每個(gè)磁道有10個(gè)扇區(qū)。如果按A,B,…,J順序從0扇區(qū)開(kāi)始依次存放。并且順序處

22、理這些數(shù)據(jù)。當(dāng)磁盤旋轉(zhuǎn)速度為20毫秒，處理程序讀出每個(gè)記錄后花4毫秒時(shí)間處理。則讀出并處理數(shù)據(jù)塊A后，將轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)塊D開(kāi)始。所以，為了讀出記錄B，必須再轉(zhuǎn)一周。,問(wèn)題：1）處理10個(gè)數(shù)據(jù)塊的總時(shí)間為多少？ 2）如果采用旋轉(zhuǎn)優(yōu)化策略，按A,H,E,B,I,F,C,J,G,D順序從0扇區(qū)開(kāi)始依次 存放，當(dāng)讀出數(shù)據(jù)A后，恰好轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)塊B的開(kāi)始。按照這一方案，處

23、 理10個(gè)總數(shù)據(jù)塊的時(shí)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(shè)備分配,實(shí)際上是作為用戶來(lái)講，怎么有效地分配自己所使用設(shè)備資源。強(qiáng)調(diào)的是設(shè)備的獨(dú)立性。,9.6.1 設(shè)備分配中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),為了實(shí)現(xiàn)對(duì)I/O設(shè)備的管理和控制，需要對(duì)每臺(tái)設(shè)備、通道、控制器的情況進(jìn)行登記。設(shè)備分配程序依據(jù)這些信息進(jìn)行設(shè)備分配。,設(shè)備類

24、型設(shè)備標(biāo)識(shí)設(shè)備控制表指針,設(shè)備類型設(shè)備標(biāo)識(shí)設(shè)備忙閑標(biāo)志COCT指針該等待隊(duì)列隊(duì)首該等待隊(duì)列隊(duì)尾,控制器標(biāo)識(shí)控制器忙閑標(biāo)識(shí)CHCT指針該等待隊(duì)列隊(duì)首該等待隊(duì)列隊(duì)尾,通道標(biāo)識(shí)通道忙閑標(biāo)識(shí)該等待隊(duì)列隊(duì)首該等待隊(duì)列隊(duì)尾,,,,,,,,,,9.6.2 設(shè)備分配策略,1、靜態(tài)分配和動(dòng)態(tài)分配,(1) 靜態(tài)分配:是在作業(yè)級(jí)進(jìn)行的，用戶作業(yè)開(kāi)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(shè)備，控制器和通道。,(2) 動(dòng)態(tài)分配:是在進(jìn)程執(zhí)行過(guò)程中根據(jù)執(zhí)行需要進(jìn)行的設(shè)備分配。,2、I/O設(shè)備分配算法,(1) 先請(qǐng)求先服務(wù)(2) 優(yōu)先級(jí)高者優(yōu)先,3、設(shè)備分配步驟,(1) 分配設(shè)備(2) 分配控制器(3) 分配通道,9.6.3 設(shè)備的使用性質(zhì),按照設(shè)備自身的使用性質(zhì)，可以采用以下三種不同的分配方式,(1) 獨(dú)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(shè)備,Spooling系統(tǒng)主要包括以下3個(gè)部分,輸入井和輸出井：這是磁盤上開(kāi)辟的2個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域。輸入井模擬脫機(jī)輸入時(shí)的磁盤，用于收容I/O設(shè)備輸入的數(shù)據(jù)。輸出井模擬脫機(jī)輸出時(shí)的磁盤，用于收容用戶程序的輸出結(jié)果。輸入緩沖區(qū)和輸出緩沖區(qū)：這是在內(nèi)存中開(kāi)辟的2個(gè)緩沖區(qū)。輸入緩沖區(qū)用于暫存由輸入設(shè)備送來(lái)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(lái)的數(shù)據(jù)以后再傳到輸出設(shè)備。輸入進(jìn)程和輸出進(jìn)程：輸入進(jìn)程模擬脫機(jī)輸入時(shí)