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1、设备管理的主要任务设备管理的主要任务强调设备独立性；选择和控制设备与内存、中央处理器进行交换传输数据；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；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。第1页/共24页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、缓冲管理第2页/共24页8.3 I/O传输方式传输方式程序控制查询方式 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。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。DMA方式通道
2、方式第3页/共24页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：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。第4页/共24页8.3.2 中断驱动方式中断驱动方式为了减少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
3、程序可以调度其他就绪进程占据CPU；第5页/共24页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CPU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。第6页/共24页优缺点优缺点优点：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
4、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来不及取走数据而造成数据的丢失。第7页/共24页8.3.3 DMA方式方式DMA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。DMA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
5、输入并允许中断；第8页/共24页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。第9页/共24页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CP
6、U。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。第10页/共24页8.3.4 通道方式通道方式通道又称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。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。第11页/共24页通道分类（按信息交换方式）通道分类（按
7、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。第12页/共24页通道方式的数据输入过程通道方式的数据输入过程1、当
8、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。第13页/共24页8.7 缓冲技术缓冲技术缓冲的引入：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
9、到限制，因此引入了缓冲技术。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。第14页/共24页缓冲的实现方法缓冲的实现方法硬缓冲：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器。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。第15页/共24页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
10、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。第16页/共24页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。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。这样可用少量的缓冲区为更多的进程服务。第17页/共24页8.6 设备调度设备调度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。第18页/共24页一、查找优化一、查找优化查找优化
11、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。第19页/共24页一、查找优化一、查找优化若采用FCFS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1
12、2，9，16，1，34，36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。SSTF算法和FCFS算法相比，将磁臂移动距离几乎减小了一半。第20页/共24页一、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。改进的电梯算法：单向扫描（转向时能看到的访问）循环扫描第21页/共24页二、旋转优化二、旋转优化为减少旋转延迟，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，
13、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。第22页/共24页二、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。第23页/共24页感谢您的观看！第24页/共24页