中南大学数学院计算机操作系统第五章课件设备管理

1第五章设备管理25.1引言有关外设的驱动、控制、分配等技术问题都统一由设备管理程序负责。5.1.1设备的概念和分类（1）按功能分类，可以分为输入设备、输出设备、存储设备、供电设备、网络设备等。（2）从设备的数据组织方式分类，可以分为块设备和字符设备。（3）从设备的管理模式分类，可以分为物理设备和逻辑设备。（4）从设备的资源属性分类，可以分为独占设备、共享设备和虚拟设备。35.1.2I/O设备控制与驱动I/O设备的控制和驱动技术包括了硬件控制驱动技术和驱动软件。前者是I/O设备厂商设计建立的与设备密切相关的技术。后者涉及系统所有I/O处理的软件。I/O驱动软件是操作系统的一部分。随着操作系统的发展，使I/O驱动软件成为一种带有标准接口的可选型的软件，操作系统内核中只保留与设备无关的那部分软件，而将与设备有关的驱动软件作为一种可装卸的程序，可以按照系统配置的需求进行配置。操作系统中的I/O驱动软件一般分为几个层次，如中断处理程序、设备驱动程序、操作系统I/O原语和用户级软件。45.1.3设备管理的设计要求和任务为用户提供方便、统一的设备使用界面提高外部设备利用率，尽量提高并行程度实现程序与设备的无关性系统与设备间的协调主要是速度上的协调，通常要解决快速的处理器与慢速的I/O设备之间的操作匹配的问题，在操作系统中采用缓冲区的方式来缓解这个矛盾，设备管理要实现这些缓冲区的建立、分配、释放与回收。55.2操作系统与中断处理5.2.1中断的基本概念中断请求（硬件）中断响应（硬件）查找中断源、保护现场（软、硬件）系统继续运行中断处理子程序（软件）中断返回、恢复现场（软件）65.2.2中断的类型中断机构处理外部设备的I/O中断。陷入机构处理指令的陷入（自陷）和由于软、硬件故障或错误造成的陷入。系统调用是UNIX操作系统面向在用户的程序的界面。在汇编级上，系统调用使用trap指令。I/O中断时钟中断系统请求中断报警中断程序错误中断机器错误中断7UNIX中的系统调用与进程管理和控制有关的系统调用fork、exit、wait、signal、kill。semget、semop、semctl。与文件系统有关的系统调用creat、open、close、read、write。远程进程通信socket、connect其它系统调用times85.2.3中断的响应和实现过程每当执行完一条指令，检测有无中断请求。不同的中断类型规定了不同的优先级，中断嵌套。根据中断源找出相应的中断处理程序入口地址，以便转去执行。中断矢量存放中断处理程序的地址。保护现场，指令断点，运行参数和条件，现运行程序状态寄存器PS的内容以及累加器或通用寄存器的内容和标记中断屏蔽。95.2.4中断处理程序和驱动程序UNIX把设备作为一种虚拟的文件对待，每个设备有一个象文件名那样的名字，可以对它象一个文件那样存取在UNIX系统中，将设备分成两类：块设备和字符设备。核心与驱动程序的接口是由块设备开关表和字符设备开关表描述的105.2.5中断的返回与恢复UNIX的中断处理都是在核心态下进行的。如果中断前处理机状态为核心态，则在执行完设备处理子程序后就恢复现场，然后用中断返回指令回到中断前状态，继续执行被中断的操作系统程序。如果中断前为用户态，则在执行完设备处理子程序后，先要检查标志runrun是否设置。115.3操作系统与时钟系统在计算机系统中可分为三类时钟：系统时钟(systemclock)、日历时钟(timeofdayclock)实时时钟(realtimeclock)5.3.1时钟的概念系统时钟主要用于控制系统处理器执行指令的速率。日历时钟产生一个精确的时间计数，程序对此进行转换，给出与日历相符的日期和时间。实时时钟每秒提供若干个时钟中断，提醒处理器有重要的事情要做。125.3.2UNIX系统中的时钟管理每隔20ms处理的工作如下：计算当前进程在用户态或核心态下的累计运行时间，将u.u_utime++或u.u_stime++。当前运行进程p_cpu加1。处理延时启动终端打印机的工作。clock若发现延迟时间到了，则重新启动对应的输出驱动程序。每秒一次处理的工作如下：日历时钟变量time加1。所有进程的内存或对换区的驻留时间p_time++，所有目前未运行进程的p_cpu除以2。135.4操作系统对I/O的控制5.4.1I/O设备的资源分配I/O地址进行正确的I/O地址设置I/O中断请求争用剩余的中断请求号，也会产生冲突。DMA数据传输通道对争用同一个DMA通道的I/O设备需要进行协调和重新配置。I/O缓冲区这个系统资源也是I/O设备争用的。145.4.2I/O通道技术I/O通道是一种硬件设施，带有专用处理器的、有很强I/O处理功能的智能部件。可以独立地完成系统处理器交付的I/O操作任务，通道具有自己专门的指令集，即通道指令。通道执行来自处理器的通道程序，完成后只需向系统处理器发出中断，请求结束。字节多路通道主要用于连接大量低、中速、以字节作为传输单位的I/O设备。选择通道主要用以支持高速设备（如磁盘），每次只对一个设备进行数据传输。成组多路通道以分时方式同时执行几道通道程序，每条通道指令可以传送一组数据，155.4.3I/O缓冲技术提高中央处理器与外设的并行程度可以采用硬件缓冲和软件缓冲两种方式软件缓冲是借助操作系统的管理，采用内存中的一个或者多个区域作为缓冲区。缓冲区的数量可根据不同的系统和操作来确定，常用的缓冲技术有三种：双缓冲、环形缓冲和缓冲池。165.5设备管理的数据结构5.5.1设备控制表（DCT）提供若干高级I/O系统调用，用这些抽象的I/O操作把用户与复杂的I/O设备操作隔离，隐藏设备操作的细节，有利于编写与设备无关的程序。要完成抽象到实际的映射，通常采用称为设备控制表(DCT)的数据结构来完成。它记录每一个抽象设备描述、对应的实际设备地址、所使用的设备驱动程序等参数。17设备读read抽象操作read(dvcrp,buf,size)intdvcrp,size;/*设备标识符、数据块大小*/char*buf;/*缓冲区指针*/{structdevtab*devptr;/*指向设备表的指针*/if(isbaddev(dvcrp))//确认设备标识符是否有效return(SYSERR);/*无效，系统返回出错*/devptr=&dct[dvcrp];/*有效，找到对应设备表项*/return((*devptrdvread)(devptr,buf,size))/*将参数传向设备驱动程序并返回*/}185.5.2设备开关表针对各类设备不同的物理特性，系统为它们各自设置了一套子程序，它们包括打开、关闭和启动子程序。系统为每类设备又设置了一数据结构，存放这些程序的入口地址，该数据结构称为设备开关。195.6磁盘的调度5.6.1物理特性磁盘一般用于文件存储，盘上信息的地址是多重编址的，包括驱动器号、面号、道号、扇区号。存取盘块中信息的时间：寻道时间100ms等待时间10ms传送时间1ms205.6.2磁盘调度算法先来先服务调度（FCFS）最短寻道时间优先法（SSTF）215.6.2磁盘调度算法（续）扫描法（SCAN和C-SCAN）225.7UNIX系统V的设备管理1．缓冲控制块buf在系统初启时，核心根据内存大小和系统性能要求分配若干缓冲区。一个缓冲区由两部分组成：存放数据的内存区（一般称为缓冲区）和一个缓冲控制块。缓冲区和缓冲控制块是一一对应的。系统通过缓冲控制块实现对缓冲区的管理。5.7.1UNIX块设备管理的主要数据结构23structbuf{intb_flags;/*缓冲区标志*/structbuf*b_forw;/*设备队列前向指针*/structbuf*b_back;/*设备队列后向指针*/structbuf*av_forw;/*自由队列前向指针*/structbuf*av_back;/*自由队列后向指针*/dev_tb_dev;/*逻辑设备号*/unsignedb_bcount;/*传送数据字节数*/union{caddr_tb_addr;/*缓冲区内存首地址*/structfilsys*b_filsys;/*超级块*/}b_un;daddr_tb_blkno;/*在磁盘上数据的块号*/}buf[NBUF];24b_flags反映缓冲区的使用情况和I/O方式，如忙或闲、数据有效性、“延迟写”、正在读/写、等待缓冲区空闲等。从buf的组成可见，它不仅包含了与使用缓冲区有关的信息，也记录了I/O请求及其执行结果。所以一般而言，buf既是缓存控制块，同时又可以是针对该缓存进行的I/O请求块。为管理方便，系统还设置了自由缓存队列控制块bfreelist和进程图像传送控制块swbuf。这两个块结构与buf结构相同，但只用部分项，其余则弃之不用。252．块设备表structiobuf{intb_flags;/*该设备队列的状况标志*/structbuf*b_forw;/*指向本设备的第一个缓冲区*/structbuf*b_back;//指向本设备的最后一个缓冲区structbuf*b_actf;/*指向本设备I/O请求队列中第一个缓冲区*/structbuf*b_actl;/*指向本设备I/O请求队列中最后一个缓冲区*/dev_tb_dev;/*设备名*/charb_active;//设备正在执行一个I/O请求的标志chatb_errcnt;/*出错计数*/};263．块设备开关表存放各类块设备管理程序的入口地址structbdevsw{int(*d_open)();/*打开函数入口*/int(*d_close)();/*关闭函数入口*/int(*d_strategy)();/*启动函数入口*/int(*d_print)();/*打印函数入口*/};设备表和设备开关表集中了与设备有关的特性及其管理、使用的信息，也体现了UNIX中把设备的物理特性和使用情况与设备管理的基本方式分隔开来的主要思想。275.7.2UNIX系统V的缓冲区管理1.多种缓冲区管理队列系统设置了多种队列对所有缓冲区进行管理，因为buf记录了与缓冲区有关的各种管理信息，所以缓冲区管理队列实际上是缓存控制块buf队列。(1)自由buf队列系统把空闲缓冲区的buf组成空闲buf队列，即自由buf队列。这个队列是双向链结构，队首块为bfreelist，bfreelist和自由buf通过av_forw和av_back作为双向指针，见图5-9。28bfreelistbuf[…]buf[…]buf[…]…………av_forwav_forwav_forwav_forwav_backav_backav_backav_back…………图5-9自由buf队列29(2)设备缓冲区队列设备缓冲区队列连接所有各类设备使用过的缓冲区，这也是一个双向队列，buf中的b_forw和b_back分别为该队列的前指针和后指针，头部为hbuf，共64个队列。如图5-10所示。一个缓冲区被分配用于读、写某个设备的字符块时，其相应的buf就进入该设备的设备buf队列，并一直保留在该设备buf队列中，除非被移作它用。系统V与第六版有所不同，不是每个块设备一个缓冲队列，同一个块设备的缓冲区可以分布在不同的散列队列，不同设备的缓冲分布均匀，加快缓冲区的搜索速度。30hbufbuf[…]buf[…]buf[…]…………b_forwb_forwb_forwb_forwb_backb_backb_backb_back…………图5-10设备buf队列31(3)空设备队列（NODEV队列）NODEV队列是一个特殊的设备buf队列。当系统需要缓存，但它不与特定的设备字符块相关联时，将分配到的缓存控制块buf送入NODEV队列。其队列控制块也是bfreelist，用的指针是b_forw和b_back。在UNIX中