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1、第八章第八章 设备与设备与I/O管理管理n设备管理是指操作系统对除了CPU和内存以外的所有输入/输出设备的管理，诸如设备控制器、通道、中断控制器等等，因此为了提高计算机系统的整体效率，除了需要对中央处理器CPU合理调度、对内存合理使用之外，对系统中的设备也要实施行之有效的管理，这样才能真正发挥计算机系统的整体效率。8.1 设备的分类设备的分类n按设备性质分类：存储设备、输入输出设备；n按设备所属关系分类：系统设备、用户设备；n按设备共享属性分类：独享设备、共享设备、虚拟设备；n按信息交换单位分类：块设备、字符设备。设备管理的主要任务设备管理的主要任务n强调设备独立性；n选择和控制设备与内存、中
2、央处理器进行交换传输数据；n按照一定的算法把设备分配给对该设备提出请求的进程，保证系统正常工作；n充分有效地使用设备，尽可能提高设备的并行操作程度，使操作系统获得最佳的效率。设备管理的基本功能设备管理的基本功能1、设备分配2、设备控制3、缓冲管理8.3 I/O传输方式传输方式n程序控制查询方式 由CPU负责在机器内存与设备控制器、数据寄存器之间进行数据传送。n中断驱动方式 为了减少设备驱动程序不断地询问控制器状态、寄存器的开销。当I/O操作结束后，由设备控制器主动通知设备驱动程序。nDMA方式n通道方式8.3.1 程序控制查询方式程序控制查询方式优点：工作过程简单，不需要更多的硬件支持。缺点：
3、1、CPU和外设只能串行工作；2、CPU在同一时间内只能和一台外设交换数据，不能实现设备之间的并行工作；3、程序控制查询方式只适合于那些CPU执行速度较慢，而且外设较少的系统。8.3.2 中断驱动方式中断驱动方式n为了减少CPU测试等待时间和CPU与外设的并行工作能力，引入了中断驱动方式。1、需要数据的进程通过CPU发出START指令启动外设输入数据的指令。该指令同时置状态寄存器的中断允许位；2、在进程发出指令启动设备之后，该进程放弃CPU，等待输入完成。这时，进程调度程序可以调度其他就绪进程占据CPU；8.3.2 中断驱动方式中断驱动方式3、当输入工作完成时，I/O控制器通过中断请求线向CP
4、U发出中断信号。CPU在接收到中断信号之后，转去执行设备中断处理程序。设备中断处理程序输入数据寄存器中的数据传送到相应的位置上去。同时把等待输入完成的进程唤醒，再返回到被中断的进程继续执行；4、在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从指定的内存单元中取出数据做进一步处理。优缺点优缺点优点：与程序控制查询方式相比，中断驱动方式使CPU的利用率大幅度提高了。缺点：1、I/O控制寄存器的数据寄存器小，对大量数据传输中断次数较多，耗去CPU大量时间；2、不适合于高速I/O设备。也就是说外设将数据送入数据寄存器发出中断请求后，CPU有足够的时间将数据取走，否则可能造成CPU来不及取
5、走数据而造成数据的丢失。8.3.3 DMA方式方式nDMA方式，又称存储器直接存取方式。内存和外设之间开辟直接的数据交换通路，由DMA控制器完成数据交换。nDMA方式在传送开始需要CPU做一些初始化和传输结束做一些善后处理工作之外，在整个数据传输过程中，不需要CPU任何干预。1、当进程要求设备输入数据时，CPU将准备存放输入数据的内存始址以及要传送的字节数分别送入DMA控制器中的内存地址寄存器和传送字节计数器，准备开始进行数据输入并允许中断；8.3.3 DMA方式方式2、发出数据要求的进程进入等待状态，进程调度程序调度其他进程占据CPU；3、输入设备不断地挪用CPU工作周期，将数据寄存器中的数
6、据源源不断地写入内存，直到所要求的字节全部传送完毕；4、DMA控制器在完成数据传送后，通过中断请求线发出中断信号，CPU收到中断信号后转到中断处理程序，唤醒等待输入完成的进程，并返回被中断程序；5、中断处理程序结束后，CPU返回被中断的进程继续执行或运行从新被调度的进程。DMA方式与中断驱动方式的区别方式与中断驱动方式的区别1、前者在全部数据传送结束时才中断CPU；后者每传送一个数据中断一次CPU。2、中断驱动方式的数据传送在中断处理时由CPU控制完成；而DMA方式则是在DMA控制器的控制下完成。8.3.4 通道方式通道方式n通道又称I/O处理机。它也是完成内存与外设之间的直接的数据交换。采用
7、通道技术后，不仅能实现CPU与通道之间的并行操作，而且通道与通道之间、各通道上连接的外设之间都能实现并行操作。n它与DMA方式类似，但不同于DMA的是：通道有自己的通道指令，并设有通道控制器和自己的指令执行机构。只要CPU发出通道启动指令，指出通道相应的操作和I/O设备，该指令就可启动通道并使通道从内存调出相应的通道指令执行。通道分类（按信息交换方式）通道分类（按信息交换方式）1）字节多路通道。字节多路通道可连接多个慢速外围设备，如打印机。它以字节为单位交叉地与外设进行数据交换。但一台设备传送一个字节后，立即转去为另一台设备传送一个字节。2）数组选择通道。它连接磁带、磁盘等快速设备，以块为单位
8、与外设进行数据交换。但在同一时间内，它只能为一台设备服务，直到I/O请求完成，再选择与通道相连的另一台设备。3）数组多路通道。它是字节和选择通道技术的综合，通道所连接的几个设备可并行工作。先选择一台传送一批数据，再选择另一台，即几台设备的通道程序都在执行中。它相当于多道程序设计技术在通道中的应用。通道方式的数据输入过程通道方式的数据输入过程1、当进程要求输入数据时，CPU发出启动指令，指明I/O操作、设备号和对应通道。2、对应通道接收到CPU发来的启动指令之后，把存放在内存中的通道指令程序读出，并执行通道程序。3、如果数据传送结束，就向CPU发出中断请求。CPU收到中断信号后转中断处理程序，唤
9、醒等待输入完成的进程，并返回被中断程序。4、在以后的某个时刻，进程调度程序选中提出请求输入的进程，该进程从指定的内存始址取出数据，做进一步处理。8.7 缓冲技术缓冲技术n缓冲的引入：中断技术和通道技术的引入，提供了CPU、通道和I/O设备之间的并行操作的可能性，但由于计算机外设的发展会产生通道不足而产生的“瓶颈”现象，使并行程度受到限制，因此引入了缓冲技术。n目的：1、改善CPU和I/O设备之间速度不匹配的情况；2、可以减少I/O设备对CPU的中断次数及放宽对CPU的中断响应时间要求。缓冲的实现方法缓冲的实现方法n硬缓冲：采用硬件缓冲器实现，在设备中设置缓冲区。例如I/O控制器中的数据缓冲寄存
10、器。n软缓冲：内存中开辟一个空间，专门用来临时存放输入/输出数据，这个区域称为缓冲区。优点：易于改变缓冲区的大小和数量（灵活）；缺点：占据内存空间。缓冲的种类缓冲的种类1、单缓冲当用户进程发出I/O请求时，操作系统在主存的系统空间为该操作分配一个缓冲区，可以实现预读和滞后写。2、双缓冲可以实现用户数据区与缓冲区之间交换数据和缓冲区与外设之间交换数据的并行。3、多缓冲：又称循环缓冲多个缓冲区连接起来统一管理。缓冲的种类缓冲的种类4、缓冲池把系统内的缓冲区统一管理起来，变专用为通用。n缓冲池的结构由若干个大小相同的缓冲区组成。当某进程需要使用缓冲区时，提出申请，由管理程序分配给它，用完后释放缓冲区
11、。这样可用少量的缓冲区为更多的进程服务。8.6 设备调度设备调度n读写一个磁盘块的时间由三个因素决定：1、寻道时间：将磁臂移动到相应的柱面上所需的时间。2、旋转延迟：等待相应扇区旋转到磁头下所需的时间。3、实际传输时间。一、查找优化一、查找优化n查找优化就是减少平均寻道时间的算法。1、先到先服务算法（FCFS）考虑一个具有40个柱面的磁盘。假设一个读柱面11上一个数据块的请求到达。当对柱面11寻道时，又顺序到达了新的请求，要求寻道1，36，16，34，9和12，系统这些请求进程插入等待队列。当前请求（柱面11）服务结束后，磁盘驱动程序要选择下一个请求进行处理。一、查找优化一、查找优化若采用FC
12、FS算法，系统首先选择柱面1，然后是柱面36，以此类推。这个算法要求磁臂分别移动10，35，20，18，25和3个柱面，总共需要移动111个柱面。2、最短查找时间优先算法（SSTF）对于上例请求序列，若采用SSTF算法，系统会依次访问12，9，16，1，34，36柱面。磁臂分别要移动1，3，7，15，33和2个柱面，总共需要移动61个柱面。nSSTF算法和FCFS算法相比，将磁臂移动距离几乎减小了一半。一、查找优化一、查找优化3、扫描/电梯算法（Scan/Look）具有方向性的SSTF。对于上例请求序列，若采用电梯算法，系统会依次访问12，16，34，36，9，1柱面。n改进的电梯算法：单向扫
13、描（转向时能看到的访问）循环扫描二、旋转优化二、旋转优化n为减少旋转延迟，对同一磁道上的连续读写信息进行合理分布称为旋转优化。考虑10个数据块A，B，J存放在同一个磁道上，设每个磁道有10个扇区。如果按A，B，J顺序从0扇区开始依次存放，并且顺序处理这些数据。当磁盘旋转速度为20ms，处理程序读出每个记录后花4ms时间处理。则读出并处理数据块A后，将转到数据块D的开始。所以为了读出记录B，必须再转一周。二、旋转优化二、旋转优化处理10个数据块的总时间为：10*2ms(读数据)+4ms(处理数据)+16ms(访问下一记录)=10*22ms=220ms如果采用旋转优化策略，按A，H，E，B，I，F，C，J，G，D顺序从0扇区开始依次存放，当读出数据块A并处理后，恰好转至数据块B的开始，立即就可以读出并处理。按照这一方案，处理10个数据块的总时间：10*2ms(读数据)+4ms(处理数据)10*6ms=60ms比原来的方案几乎快4倍。