计算机操作系统复习串讲第二讲

OperatingSystemPage12020/1/20OperatingSystemPage22020/1/20第五章设备管理I/O系统是计算机系统的重要组成部分I/O系统包括用于实现信息输入、输出和存储功能的设备和相应的控制器设备管理的基本任务是完成用户提出的I/O请求，提高I/O速率以及改善I/O的利用率设备管理的主要功能有缓冲区管理、设备分配、设备处理、虚拟设备及实现设备独立性OperatingSystemPage32020/1/20第五章设备管理I/O系统I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理磁盘存储器管理OperatingSystemPage42020/1/20I/O系统I/O设备设备控制器I/O通道总线系统OperatingSystemPage52020/1/20I/O设备I/O设备的类型按信息交换的单位分类块设备(BlockDevice)信息的存取总是以数据块为单位可寻址磁盘，每个盘块的大小为512B~4KB字符设备(CharacterDevice)基本单位是字符不可寻址交互式终端、打印机OperatingSystemPage62020/1/20I/O设备I/O设备的类型按资源分配角度分类（共享属性）独占设备多数低速设备属独占设备，如打印机共享设备可供多个进程同时访问，如磁盘虚拟设备通过虚拟技术将一台独占设备变换为若干个逻辑设备，供若干个进程同时使用临界资源OperatingSystemPage72020/1/20设备控制器设备控制器是CPU与I/O设备之间的接口接收CPU发来的命令，控制一个或多个I/O设备工作，以实现I/O设备和计算机之间的数据交换，减轻CPU的负担设备控制器是一个可编址的设备设备控制器分类控制字符设备控制块设备OperatingSystemPage82020/1/20设备管理功能设备分配按设备类型和分配算法将I/O设备、控制器及通道分配给用户进程对不能得到资源的进程进行阻塞缓冲区管理在CPU和设备之间进行速度匹配设备的I/O操作生成通道程序并启动和控制通道完成I/O操作未设置通道的系统应对相应设备I/O进行必要的处理OperatingSystemPage92020/1/20第五章设备管理I/O系统I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理磁盘存储器管理OperatingSystemPage102020/1/20I/O控制方式程序I/O方式中断驱动I/O方式直接存储器访问DMAI/O控制方式I/O通道控制方式OperatingSystemPage112020/1/20程序I/O方式处理机对I/O设备的控制采用程序I/O（ProgrammedI/O）方式，或称为忙-等方式CPU通过I/O测试指令测试设备接口中的状态位，当为“忙”时则一直测试，当为“闲”时，可进行数据传送，每次传送一个字符CPU的绝大部分时间都处于等待I/O设备完成数据I/O的循环测试中外设不能合理使用，也无法支持多道程序OperatingSystemPage122020/1/20I/O控制方式程序I/O方式中断驱动I/O方式直接存储器访问DMAI/O控制方式I/O通道控制方式OperatingSystemPage132020/1/20中断驱动I/O方式中断驱动（InterruptDriven）方式，即当某进程要启动某个I/O设备工作时，便由CPU向相应的设备控制器发出一条I/O命令，然后立即返回继续执行原来的任务设备控制器按命令要求去控制指定的I/O设备，完成后，通过中断向CPU发送一中断信号在I/O设备输入数据的过程中，无须CPU干预，每次传送一个字符OperatingSystemPage142020/1/20I/O控制方式程序I/O方式中断驱动I/O方式直接存储器访问DMAI/O控制方式I/O通道控制方式OperatingSystemPage152020/1/20DMA方式特点数据传输的基本单位是数据块所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者相反仅在传送一个或多个数据块的开始和结束时才需CPU干预除了具有中断机构外，还增加了DMA控制器数据传送方向、存放数据的内存地址及传送数据长度需CPU控制每个设备需配置一个DMA控制器OperatingSystemPage162020/1/20DMA方式DMA与中断方式的主要区别中断方式在每个数据传送完后中断CPU，DMA方式则是在所要求传送的一批数据全部传送完时中断CPU中断方式的数据传送时在中断处理时由CPU控制完成的，而DMA则是在DMA控制下完成的DMA方式的局限性：传送方向、始址、长度等由CPU控制，一个设备一个DMA，成本高OperatingSystemPage172020/1/20I/O控制方式程序I/O方式中断驱动I/O方式直接存储器访问DMAI/O控制方式I/O通道控制方式OperatingSystemPage182020/1/20I/O通道控制方式I/O通道控制方式的引入与DMA类似，是以内存为中心的数据交换方式进一步减少了CPU的干预，把对一个数据块的读(或写)为单位的干预，减少为对一组数据块的读(或写)及有关的控制和管理为单位的干预一个通道控制多台设备CPU仅在I/O操作的开始和结束时花费少量时间处理与I/O有关的工作可实现CPU、通道和I/O设备三者的并行操作，从而更有效地提高整个系统的资源利用率OperatingSystemPage192020/1/203.“瓶颈”问题图5-4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OperatingSystemPage202020/1/20图5-5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OperatingSystemPage212020/1/20第五章设备管理I/O系统I/O控制方式缓冲管理设备分配设备处理磁盘存储器管理OperatingSystemPage222020/1/20缓冲管理缓冲的引入单缓冲和双缓冲循环缓冲缓冲池（BufferPool）OperatingSystemPage232020/1/20缓冲的引入缓和CPU与I/O设备间速度不匹配的矛盾数据到达速率与其离去速率不同减少对CPU的中断频率，放宽对CPU中断响应时间的限制1位缓冲9.6Kb/s(a)中断CPU的频率为9.6Kb/s，每100s中断一次CPUCPU必须在100s内响应，否则数据会被冲掉8位缓冲寄存器送内存9.6Kb/s(b)中断CPU的频率降低为9.6Kb/8OperatingSystemPage242020/1/20缓冲的引入8位缓冲寄存器9.6Kb/s送内存(c)提高CPU和I/O设备之间的并行性提高系统的吞吐量和设备的利用率每800s中断一次CPUOperatingSystemPage252020/1/20缓冲管理缓冲的引入单缓冲和双缓冲循环缓冲缓冲池（BufferPool）OperatingSystemPage262020/1/20设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术OperatingSystemPage272020/1/20设备处理Ｉ／Ｏ系统层次结构OperatingSystemPage282020/1/205.4.4设备独立性设备独立性(DeviceIndependence)的概念定义：是指用户在编制程序时所使用的设备与实际使用的设备无关。即应用程序独立于具体使用的物理设备为了实现设备独立性而引入了逻辑设备和物理设备这两个概念在应用程序中，使用逻辑设备名称来请求使用某类设备；而系统在实际执行时，还必须使用物理设备名称系统须具有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称的功能，这非常类似于存储器管理中所介绍的逻辑地址和物理地址的概念OperatingSystemPage292020/1/20设备独立性设备独立性的优点设备分配时的灵活性系统可将该逻辑设备类中的任一台分配给进程使用所有设备均占用时才阻塞易于实现I/O重定向所谓I/O重定向，指用于I/O操作的设备可以更换，而不必改变应用程序如调试程序时输出到屏幕，而实际应用时改为输出到打印机OperatingSystemPage302020/1/20设备独立性设备独立性软件设备驱动程序是一个与硬件（或设备）紧密相关的软件。设备驱动程序一方面可以定制以适合各种设备，另一方面也提供了一组标准接口。设备驱动程序的作用是为内核I/O子系统隐藏设备控制器之间的差异为了实现设备独立性，必须在设备驱动程序上设置一层软件，称为设备独立性软件OperatingSystemPage312020/1/20设备独立性逻辑设备名到物理设备名映射的实现逻辑设备表（LgicalUnitTable）用于实现将应用程序中的逻辑设备名映射为物理设备名逻辑设备名物理设备名驱动程序入口地址/dev/tty/dev/printer3510242046………逻辑设备名/dev/tty/dev/printer…系统设备表指针35(a)(b)LUT的设置可采取两种方式：①整个系统设置一张LUT。不允许在LUT中具有相同的逻辑设备名，这就是要求所有用户不使用相同的逻辑设备名。②为每个用户设置一张LUT。用户建立一个进程，同时也为之建立一张LUT。OperatingSystemPage322020/1/205.5设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术OperatingSystemPage332020/1/205.4.1设备分配中的数据结构1.设备控制表DCT2.控制器控制表COCT3.通道控制表CHCT4.系统设备表SDTOperatingSystemPage342020/1/205.5.1设备分配中的数据结构1.设备控制表DCT设备类型type设备标识符：deviceid设备状态：等待/不等待忙/闲指向控制器表COCT的指针重复执行次数或时间设备队列的队首指针DCT1DCT2DCTn设备控制表集合每个设备一张，记录本设备的情况正使用，则忙标志置1；若与其相连的控制器或通道忙，则等待标志置1请求本设备未满足的进程PCB队列OperatingSystemPage352020/1/205.5.1设备分配中的数据结构2.控制器控制表、通道控制表控制器标识符：controllerid控制器状态：忙/闲与控制器连接的通道表指针控制器队列的队首指针控制器队列的队尾指针通道标识符：channelid通道状态：忙/闲与通道连接的控制器表首址通道队列的队首指针通道队列的队尾指针(a)控制器表COCT(b)通道表CHCT一个控制器一张一个通道一张OperatingSystemPage362020/1/205.5.1设备分配中的数据结构系统设备表SDT系统设备表SDT表目1…表目i…设备类设备标识符DCT驱动程序入口整个系统一张，记录已被连接到系统中的所有物理设备的情况OperatingSystemPage372020/1/205.5设备分配设备分配中的数据结构设备分配时应考虑的因素设备独立性独占设备的分配程序SPOOLing技术OperatingSystemPage382020/1/205.5.2设备分配时应考虑的因素1.设备的固有属性独占性一段时间内，只允许一个进程独占，大多数低度速Ｉ/Ｏ设备都属于独享设备共享性允许多个进程同时共享，如磁盘、磁鼓之类的外存储器，既具有很能大的存储容量，其定位操作的时间又短可虚拟性独占设备经某种技术处理，改造成虚拟设备，把一台输入机虚拟为几台“虚拟”的输入机。例如：为了提高设备