计算机操作系统(第三版)5设备管理

NetworkOptimizationExpertTeam第五章设备管理5.1I/O系统5.2I/O控制方式5.3缓冲管理5.4设备分配5.5设备处理5.6磁盘存储器管理NetworkOptimizationExpertTeam教学目的：了解设备管理的主要功能、模型了解I/O子系统的组成、结构了解设备的控制、I/O控制了解设备的类型了解设备分配掌握I/O缓冲技术掌握虚拟设备与SPOOLing系统掌握磁盘设备的管理重点难点：掌握虚拟设备与SPOOLing系统所采用的技术掌握磁盘设备的管理方式NetworkOptimizationExpertTeam课前引入：设备管理概述设备管理的主要功能：设备分配设备映射设备驱动I/O缓冲区的管理NetworkOptimizationExpertTeam设备分配多道程序系统中的设备不允许用户直接使用，而是由操作系统统一调度和控制。设备分配功能是设备管理的基本任务。设备分配程序按照一定的策略，为申请设备的用户进程分配设备，记录设备的使用情况。NetworkOptimizationExpertTeam设备映射为了提高应用软件对运行平台的适应能力，方便实现应用软件I/O重定向，大多数现代操作系统均支持应用软件对设备的无关性，即通常所说的设备无关性，或者设备独立性设备无关性：应用软件所引用的、用于实现I/O操作的设备与物理I/O系统中实际安装的设备没有固定的联系NetworkOptimizationExpertTeam设备映射逻辑设备和物理设备逻辑设备是指应用软件所引用的用于实现I/O操作的设备。物理设备则指，物理I/O系统中实际安装的设备。从应用软件的角度看，逻辑设备是一类物理设备的抽象。从操作系统设备管理程序的角度看，物理设备则是某种逻辑设备的实例。NetworkOptimizationExpertTeam设备映射如果某系统支持设备无关性，那么该系统中应用软件所引用的逻辑设备与实际安装的物理设备没有固定的联系。事实上，在应用软件运行期间，操作系统的设备管理程序必须将该应用软件对逻辑设备的引用转换成对相关物理设备的引用。设备管理的这种功能称为逻辑设备到物理设备的映射功能，简称设备映射功能。NetworkOptimizationExpertTeam设备驱动又称设备处理，指对物理设备进行控制，以实现真正的I/O操作。设备驱动的主要任务是：接收上层软件发来的抽象服务请求，例如读/写命令，再把它转换为具体要求，通过一系列的I/O指令，控制设备完成请求的操作；同时，设备驱动程序还将设备发来的有关信号传送给上层软件，例如设备是否已损坏等。NetworkOptimizationExpertTeam设备驱动设备驱动程序与硬件密切相关，应为每一类设备配置一种驱动程序。设备驱动程序一般由设备开发厂商根据操作系统的要求组织编写，操作系统仅对与设备驱动的接口提出要求，一般不负责具体设备驱动程序的编写。有时候，某些硬件无法在某种操作系统中使用，原因很可能就是没有专门的或通用的设备驱动程序，或者设备驱动程序设计有问题，使得设备无法正常工作。NetworkOptimizationExpertTeamI/O缓冲区的管理为了缓和处理面与外部设备间速度不匹配的矛盾，提高处理机和外部设备间的并行性，现代操作系统大都在设备管理部分引入了缓冲技术。通常，缓冲区是指内存中的若干区域，用于缓存进程与外部设备间的数据传输。又称为I/O缓冲区。I/O缓冲区管理的任务是：组织I/O缓冲区，并为使用者提供获得和释放I/O缓冲区的手段。NetworkOptimizationExpertTeam处理机内存I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备系统总线5.1I/O系统不同类型I/O子系统的结构图总线型I/O系统的结构NetworkOptimizationExpertTeam通道型I/O系统结构处理机内存I/O设备系统总线I/O通道I/O通道I/O通道I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备不同类型I/O子系统的结构图NetworkOptimizationExpertTeam处理机内存I/O通道I/O设备控制器I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备控制器I/O通道控制器控制器不同类型I/O子系统的结构图具有控制器的I/O系统NetworkOptimizationExpertTeam5.1.1I/O设备1、I/O设备的类型1)按传输速率分类（分三类）低速设备：指传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节的一类设备。如：键盘、鼠标器、语音的输入和输出等设备。中速设备：指传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节的一类设备。如：行式打印机、激光打印机等。高速设备：指其传输速率在数百K个字节至数十兆字节的一类设备。如：磁带机、磁盘机、光盘机等。NetworkOptimizationExpertTeam2)按信息交换的单位分类（分两类）块设备(BlockDevice)：用于存储信息。I/O传输的单位是块。它属于有结构设备。典型的块设备是磁盘。基本特征：传输速率较高；可随机访问任一块；DMA方式驱动。字符设备(CharacterDevice)：用于数据的输入和输出。I/O传输的单位是字节。如打印机。基本特征：传输速率较低；不可寻址；中断驱动。NetworkOptimizationExpertTeam3)按设备的共享属性分类（分三类）独占设备：在任一段时间内最多有一个进程占用它，字符设备及磁带机属独占型设备。即临界资源。共享设备：多个进程对它的访问可以交叉进行，除磁带机外的块设备属共享设备。虚拟设备：在一类设备上模拟另一类设备，常用共享设备模拟独占设备，用高速设备模拟低速设备，被模拟的设备称为虚拟设备。NetworkOptimizationExpertTeam2.设备与控制器之间的接口设备与控制器间的接口缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备设备通过设备控制器间接与CPU进行通信，在设备与设备控制器之间有一接口，传递三类信号：对应三条信号线。缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备缓冲转换器控制逻辑信号数据数据信号线状态信号线控制信号线至设备控制器I/O设备NetworkOptimizationExpertTeam处理机内存I/O通道I/O设备控制器I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备控制器I/O通道控制器控制器不同类型I/O子系统的结构图具有控制器的I/O系统NetworkOptimizationExpertTeam5.1.2设备控制器设备控制器是CPU和设备之间的一个接口,它接收从CPU发来的命令,控制I/O设备操作,实现主存和设备之间的数据传输。I/O设备通常包含一个机械部件和一个电子部件。电子部件被称作I/O部件或设备控制器。早期CPU是直接控制外部设备的，在引入I/O部件之后，I/O指令功能加强，才将CPU逐渐从与外设的交互细节中解放出来。操作系统一般只与控制器打交道，而非设备本身。NetworkOptimizationExpertTeamPCI总线控制器处理机内存显卡外设光盘磁盘IDE总线控制器外设控制器控制器控制器连接CPU、内存、设备控制器和I/O设备模型NetworkOptimizationExpertTeam控制器的任务是在外部设备与CPU（或内存）之间完成比特流（外部信号）和字节流（块）之间的转换。磁盘控制器主存比特流字节块转换、校验字符显示控制器主存经CPU显示信号字节流转换NetworkOptimizationExpertTeam1.设备控制器的基本功能1)接收和识别命令来自CPU的命令2)进行数据交换3)收集设备状态并向CPU报告4)地址识别5)数据缓冲6)差错NetworkOptimizationExpertTeam2.设备控制器的组成1)控制器与处理机的接口2)控制器与设备的接口3)I/O逻辑由三部分组成：NetworkOptimizationExpertTeam设备控制器的组成数据寄存器控制/状态寄存器数据线I/O逻辑…控制器与设备接口1控制器与设备接口i数据状态控制数据状态控制…地址线控制线CPU与控制器接口控制器与设备接口CPU设备NetworkOptimizationExpertTeam5.1.3I/O通道1.I/O通道(I/OChannel)设备的引入定义：通道是独立于CPU的专门负责数据I/O传输工作的特殊的处理机，对外部设备实现统一管理，代替CPU对I/O操作进行控制，从而使I、O操作可与CPU并行操作。引入通道的目的：为了使CPU从I/O事务中解脱出来，同时为了提高CPU与设备、设备与设备之间的并行工作能力。通过执行通道程序来控制I/O操作。指令类型单一，只能执行与I/O操作有关的命令。通道没有自己的内存，与CPU共享内存。NetworkOptimizationExpertTeam处理机内存I/O通道I/O设备控制器I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备I/O设备控制器I/O通道控制器控制器不同类型I/O子系统的结构图具有控制器的I/O系统NetworkOptimizationExpertTeam2.通道类型1)字节多路通道(ByteMultiplexorChannel)字节多路通道以字节为单位传输信息，它可以分时地共享主通道。以字节为单位交叉传输，当一台传送一个字节后，立即转去为另一台传送字节。主要连接以字节为单位的低速I/O设备。如打印机、终端。NetworkOptimizationExpertTeam字节多路通道的工作原理控制器A控制器B控制器C控制器D控制器NA1A2A3…子通道AB1B2B3…子通道BC1C2C3…子通道CN1N2N3…子通道NA1B1C1…A2B2C2…设备NetworkOptimizationExpertTeam2)数组选择通道(BlockSelectorChannel)字节多路通道不适于连接高速设备，这推动了按数组方式进行数据传送的数组选择通道的形成。选择通道是以成组方式工作的，即每次传送一批数据，故传送速度很高。这种通道虽然可以连接多台高速设备，但由于它只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直至该设备传送完毕释放该通道。可见，这种通道的利用率很低。NetworkOptimizationExpertTeam3)数组多路通道(BlockMultiplexorChannel)数组选择通道虽有很高的传输速率，但它却每次只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作的优点相结合而形成的一种新通道。它含有多个非分配型子通道，因而这种通道既具有很高的数据传输速率，又能获得令人满意的通道利用率。广泛地用于连接多台高、中速的外围设备，其数据传送是按数组方式进行的。NetworkOptimizationExpertTeam3.“瓶颈”问题单通路I/O系统设备1设备2设备3设备4设备5设备6设备7控制器1控制器2控制器3控制器4通道1通道2存储器通道数量少，造成整个系统吞吐量下降。例如：NetworkOptimizationExpertTeam多通路I/O系统I/O设备控制器1控制器2通道1通道2存储器I/O设备I/O设备I/O设备解决问题的方法：增加设备到主机的通路而不增加通道。即把一个设备连接到多个控制器上，一个控制器连接到多个通道上。NetworkOptimizationExpertTeam5.1.4总线系统总线型I/O系统结构CPU存储器磁盘控制器打印机控制器…其它控制器磁盘驱