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1、第七章设 备 管 理（一）设备管理是操作系统最基本、最繁杂的组成部分。设备管理是操作系统最基本、最繁杂的组成部分。且与硬件的关系最密切。且与硬件的关系最密切。外设外设按功能分为两类按功能分为两类 存储设备存储设备 存取控制部分（控制电路伺服系统、读写控制电路、存取控制部分（控制电路伺服系统、读写控制电路、磁头、光头等）磁头、光头等）信息载体信息载体（磁盘、磁带、光盘等）（磁盘、磁带、光盘等）I/OI/O设备设备 存储设备存储设备I/OI/O设备设备 输入设备输入设备 模拟信号模拟信号 数字信号（数字信号（A/DA/D转换）转换）输出设备输出设备 数字信号数字信号 模拟信号（模拟信号（D/AD/
2、A转换）转换）设 备 管 理（二）设备管理的基本任务是：设备管理的基本任务是：（11）控制控制 I/O I/O 操作，进行设备分配，提高操作，进行设备分配，提高CPUCPU与设备之间与设备之间的并行工作程度。协调和保证设备的高效工作。的并行工作程度。协调和保证设备的高效工作。（22）向用户提供一个使用设备的方便接口。完成用户的向用户提供一个使用设备的方便接口。完成用户的I/OI/O请求。请求。主要讨论以下问题7.1 I/O 系统的组成（一）1。微机I/O系统 CPU通过总线与设备控制器相连接，设备 控制器是CPU 与设备之间的接口。2。主机I/O系统 使用I/O通道（I/O处理机），实现对设备
3、 控制器的控制。I/O系统应该由以下部分组成：I/O设备 设备控制器 总线或通道一、一、I/O I/O 系统的结构系统的结构7.1 I/O 系统的组成（二）22。按传消息交换的单位分类按传消息交换的单位分类 块设备块设备 信息存取以数据块为单位，属于有结构设备。信息存取以数据块为单位，属于有结构设备。字符设备字符设备 信息存取以字符为单位，属于无结构设备。信息存取以字符为单位，属于无结构设备。33。按设备的共享属性分类按设备的共享属性分类 独占设备独占设备 在一段时间只允许一个进程访问的设备。在一段时间只允许一个进程访问的设备。共享设备共享设备 在一段时间允许多个进程同时访问的设备。在一段时间
4、允许多个进程同时访问的设备。虚拟设备虚拟设备 使用虚拟技术，将一台独占设备变为逻辑使用虚拟技术，将一台独占设备变为逻辑 上的多台设备。上的多台设备。二、二、I/OI/O设备及分类设备及分类11。按传输速率分类。按传输速率分类 低速设备低速设备 中速设备中速设备 高速设备高速设备 7.1 I/O 系统的组成（三）1 1。设备控制器的功能。设备控制器的功能 接收和识别接收和识别CPUCPU发出的命令发出的命令，因此，因此，设备控制器中设备控制器中设有多个寄存器，用来存放命令和参数，同时，还设设有多个寄存器，用来存放命令和参数，同时，还设有命令译码器。有命令译码器。实现数据交换，实现数据交换，即即C
5、PUCPU与控制器之间，控制器与设与控制器之间，控制器与设备之间的数据交换。备之间的数据交换。记录设备的状态记录设备的状态，以便，以便CPUCPU启动控制器。为此，在启动控制器。为此，在控制器中设置一个状态寄存器。控制器中设置一个状态寄存器。识别设备地址识别设备地址。使。使CPUCPU能够从能够从设备控制器的寄存器设备控制器的寄存器中读写数据。中读写数据。三、设备控制器三、设备控制器 设备控制器是CPU与设备之间的接口，接收CPU的命令，控制设备工作。7.1 I/O 系统的组成（五）通道（Channel）也称 I/O处理机。是为了减轻CPU的工作负载，在 CPU 与设备控制器之间而设置的一种专
6、门用于 I/O 的简单处理机。通道指令系统 也称通道控制字（CCW），是通道能够独立执行的I/O指令。按照信息交换方式分类：字节多路通道 用于低、中速设备 含多个非分配型的子通道，子通道按时间片轮转共享主通道。按字节传送。传输速度慢(。数组选择通道 连接中、高速设备 含一个分配型的子通道，一段时间内只能执行、控制一台设备工作。通道利用率低，传输速度快。数组多路通道 连接中、高速设备 综合前两类的优点。四、四、I/OI/O通道通道11、为什么引入通道、为什么引入通道22、通道的类型、通道的类型7.1 I/O 系统的组成（六）中央处理机内存字节多路通道成组多路通道选择通道卡片输入机卡片输入机打印机
7、磁盘磁带通 道 结 构7.1 I/O 系统的组成（七）解决“瓶颈问题”的多通路系统3 3、“瓶颈问题 瓶颈问题”由于通道及设备控制器的数量有限，可能造成I/O的瓶颈。7.2 I/O 控制方式（一）（1）中断控制方式（2）DMA 控制方式（3）通道控制方式 设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或设备管理的主要任务之一是控制设备与内存或CPUCPU 之间的数据传送，选择控制方式的原则是：之间的数据传送，选择控制方式的原则是：保证在足够的传输速度下数据的正确传送。保证在足够的传输速度下数据的正确传送。系统开销小。系统开销小。充分发挥硬件资源的能力。充分发挥硬件资源的能力。本节讨论CPU 通过设备控
8、制器来控制数据I/O的方式。7.2 I/O 控制方式（二）一、中断控制方式一、中断控制方式中断 当主机接到外部信号时（如 I/O完成信号）即停止 原来的工作，转去处理这一事件，处理完后，主机 又回到原来的断点继续工作。中断处理过程：（向CPU）保护CPU现场识别中断源恢复CPU现场7.2 I/O 控制方式（四）由于大多数的小型、微型计算机采用总线结构，DMA方式是“窃取”或“挪用”CPU总线的控制权，即要求CPU暂停若干总线周期，由DMA控制器占有存储器周期进行设备与内存之间的数据交换。直接存储器访问直接存储器访问 DMA DMA（Direct Memory AccessDirect Memo
9、ry Access）方式的引入是为解决中断控制方式对块设备低效的问方式的引入是为解决中断控制方式对块设备低效的问 题。减少中断次数。题。减少中断次数。二、二、DMADMA控制方式控制方式1 1、DMA DMA方式的基本思想 方式的基本思想（11）以数据块为单位进行数据传送。）以数据块为单位进行数据传送。（22）设备与内存之间直接交换数据。）设备与内存之间直接交换数据。7.2 I/O 控制方式（八）CCW CCW的信息：的信息：操作码操作码 内存地址内存地址 传送数据字节数传送数据字节数 通道程序结束位通道程序结束位PP（P=1 P=1 结束）结束）记录结束标志记录结束标志R R 通道（通道（C
10、hannelChannel）是比是比DMADMA方式更加完善，功能更强的方式更加完善，功能更强的I/O I/O 控控制方式。制方式。DMADMA与通道方式的异同：与通道方式的异同：相同：相同：以内存为中心，实现设备与内存之间直接交换数据以内存为中心，实现设备与内存之间直接交换数据 的控制方式。的控制方式。不同：通道是专门控制不同：通道是专门控制 I/O I/O的处理机的处理机。其指令称为。其指令称为通道控通道控 制字制字（CCWCCW），由），由CCWCCW编制的编制的通道程序通道程序，独立执，独立执 行行I/OI/O任务。任务。三、通道控制方式三、通道控制方式1、I/O处理机0 指令处理同一
11、记录1 处理记录结束7.2 I/O 控制方式（九）22、通道的控制过程：、通道的控制过程：CPUCPU启动通道启动通道 通道程序的始址存放在称为通道程序的始址存放在称为通道地址字通道地址字（CAWCAW）的）的内存单元中，由内存单元中，由 CPU CPU启动通道程序后，启动通道程序后，CPUCPU可去执行其可去执行其他任务。他任务。执行执行通道指令通道指令CCWCCW，向设备控制器发出向设备控制器发出I/OI/O操作命令。操作命令。设备根据设备根据CCWCCW将数据传送到内存指定单元。将数据传送到内存指定单元。数据传送结束，数据传送结束，I/OI/O控制器向控制器向CPU CPU 发出中断请求
12、命令。发出中断请求命令。7.3 缓冲管理（一）11、单缓冲区（、单缓冲区（single buffersingle buffer）在设备和主机之间设置一个缓冲区。只能缓解速度匹在设备和主机之间设置一个缓冲区。只能缓解速度匹配的问题。不能实现设备之间的并行操作。配的问题。不能实现设备之间的并行操作。11、缓解、缓解CPUCPU与外设速度不匹配的问题。与外设速度不匹配的问题。22、减少、减少CPUCPU中断响应次数，放宽响应时间。中断响应次数，放宽响应时间。33、提高、提高CPUCPU与与I/OI/O设备，设备，I/OI/O设备之间的并行操作能力。设备之间的并行操作能力。缓冲技术的基本思想：缓冲技术
13、的基本思想：在内存中开辟一个或多个专用区域在内存中开辟一个或多个专用区域（缓冲区），作为（缓冲区），作为CPU CPU 与与I/OI/O设备间信息的集散地。设备间信息的集散地。一、为什么引入缓冲技术一、为什么引入缓冲技术二、缓冲区的组织二、缓冲区的组织缓冲区用户进程传送操作系统输入I/O设备7.3 缓冲管理（二）一般是建立两个大小相等的缓冲区，设备交替对两个缓冲区输入数据，操作系统也交替地从两个缓冲区移出数据送用户进程区。二、双缓冲区（二、双缓冲区（double bufferdouble buffer）缓冲区1用户进程传送操作系统输入I/O设备缓冲区2 发送缓冲区 接收缓冲区 接收缓冲区发送缓
14、冲区A机B机双机通信的缓冲区设置7.3 缓冲管理（三）三、循环缓冲（三、循环缓冲（circular buffercircular buffer）循环缓冲即是多个大小相同的缓冲区构成循环队列，有三种循环缓冲即是多个大小相同的缓冲区构成循环队列，有三种缓冲区：空缓冲区缓冲区：空缓冲区(R)(R)，满缓冲区，满缓冲区(G)(G)，正使用的缓冲区，正使用的缓冲区(C)(C)。例如：生产者消费者问题 生产者进程 Pi（P1，P2，Pk）;消费者进程 Ci（C1，C2，Cm）。in 指向下一空缓冲区的指针。Out 指向下一满缓冲区的指针。current 指向当前工作缓冲区的指针。inout C iP ic
15、urrentRGC7.3 缓冲管理（三）11、缓冲池的结构缓冲池的结构 缓冲池由多个缓冲区构成。每个缓冲缓冲池由多个缓冲区构成。每个缓冲区又分为缓冲区首部和缓冲体。区又分为缓冲区首部和缓冲体。四、缓冲池（四、缓冲池（buffer poolbuffer pool）设备号缓冲区号缓冲区地址缓冲区状态（忙/闲）数据块号互斥标识位设备缓冲队列指针缓冲区首部将缓冲区连接成三种队列：空缓冲区队列（emq）满输入缓冲区队列（inq）满输出缓冲区队列（outq）有四类工作缓冲区：sin 提取输入的工作缓冲区 hin 收容输入数据的缓冲区 sout 提取输出的工作缓冲区 hout 收容输出数据的缓冲区7.4 设
16、备分配（一）22、控制器控制表控制器控制表COCTCOCT（Controler Control TableControler Control Table）记录记录I/OI/O控制器使用情况及与通道连接情况。（控制器使用情况及与通道连接情况。（DMADMA无）无）设备分配是设备管理的重要问题。讨论设备分配的数据结设备分配是设备管理的重要问题。讨论设备分配的数据结构，分配原则及分配算法。构，分配原则及分配算法。一、设备分配的数据结构一、设备分配的数据结构11、设备控制表、设备控制表DCTDCT（Device Control TableDevice Control Table）反映反映设备特性，设备
17、与设备特性，设备与I/OI/O控制器连接情况。控制器连接情况。7.4 设备分配（二）4、系统设备表SDT（System Device Table）整个系统一张，记录已连接到系统中的设备情况，每个设备在SDT中占一表项。3、通道控制表CHCT（Channel Control Table）描述通道的使用情况。针7.4 设备分配（四）设备分配的方式：设备分配的方式：静态分配静态分配 一次分配所有需要的设备。不符合分配一次分配所有需要的设备。不符合分配 原则。原则。动态分配动态分配 进程执行过程中，按需分配。进程执行过程中，按需分配。设备分配总原则：设备分配总原则：充分发挥设备利用率，避免由于不合理充
18、分发挥设备利用率，避免由于不合理分配引起进程死锁。分配引起进程死锁。具体考虑以下方面：具体考虑以下方面：1 1、设备的固有属性、设备的固有属性（独占、共享、虚拟）。（独占、共享、虚拟）。2 2、设备分配算法（先来先服务、优先级）。、设备分配算法（先来先服务、优先级）。3 3、设备分配的安全性（安全或不安全分配方式，指是否、设备分配的安全性（安全或不安全分配方式，指是否保持保持“请求与保持请求与保持”条件）。条件）。4 4、设备独立性。、设备独立性。二、二、设备分配的原则及方式设备分配的原则及方式7.4 设备分配（五）为了实现设备独立性，进程使用逻辑设备名。即系统为 每个进程建立一张逻辑设备表L
19、UT（Logical Unit table）。在VMS中，还建立了一张系统逻辑设备表。有利于改善资源的利用率。提供了设备分配的灵活性。为用户程序提供了与设备无关的接口，为I/O重定位提供方便，因此，提高了用户程序的可适应性。LUT 包括：逻辑设备名、物理设备名、驱动程序地址。通过LUT 实现用户程序中逻辑设备名到物理设备名的 映射。1、逻辑设备表 设备独立性（device independence）是I/O软件的一个关键性概念，是指用户程序独立于使用的物理设备。2、使用逻辑设备名的优点7.4 设备分配（六）三、设备分配流程三、设备分配流程进程P发出I/O请求搜索SDT找到DCT指针查DCT设备
20、忙？进程P按分配算法入I/O队列YN按分配算法选择进程进程P选中？进程P等待设备空闲NY检查设备分配的安全性安全吗？NY设备分配给进程P11搜索DCT找到COCT指针 控制器忙？Y进程P等待控制器N分配控制器给进程P搜索COCT找到CHCT指针CHCT忙Y进程P等待通道N分配通道给进程 P启动 I/O7.4 设备分配（七）多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独多道程序系统中，进程对设备的需求频繁，尤其是独占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。占设备数量有限、效率低，故引入虚拟设备管理技术。基本思想基本思想：用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢速度的用大容量的快速设备（磁盘）模拟慢
21、速度的 独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台独占设备，把一台物理上的独占设备变为逻辑上的多台共享设备。共享设备。SPOOLing SPOOLing是一种典型的虚拟设备技术，是一种典型的虚拟设备技术，SPOOLing SPOOLing 是是 Simultaneous Peripheral Operations On Line Simultaneous Peripheral Operations On Line（外围设（外围设 备同时联机操作）的缩写，是用程序模拟脱机备同时联机操作）的缩写，是用程序模拟脱机I/OI/O的功能，的功能，故又称为假脱机技术。故又称为假脱机技术。四、虚拟设备
22、与四、虚拟设备与SPOOLingSPOOLing技术技术22、SPOOLing SPOOLing 技术技术11、虚拟设备管理、虚拟设备管理7.5 设备处理（一）I/O请求的处理过程，由输入/输出控制系统IOCS完成，其中最主要的部分是设备驱动程序。它是I/O请求进程与设备控制器之间的通信程序。1、用户进程向IOCS发出I/O请求。2、IOCS查逻辑设备表（LUT），将逻辑请求转换为物 理请求。3、IOCS调用驱动程序的“启动过程”启动I/O设备。4、IOCS将有关信息放入中断表中。5、将用户进程挂起，放入I/O等待队列。6、执行驱动程序的“继续过程”（中断处理、传送 I/O 数据）。7、完成I
23、/O操作，重新启动用户进程。一、一、I/OI/O请求处理过程请求处理过程7.5 设备处理（二）二。二。I/OI/O设备驱动程序设备驱动程序 设备驱动程序是IOCS的主体，一般为每类（个）设备设置一个驱动程序。驱动程序启动过程 启动一个I/O操作。继续过程 处理中断和完成数据传送。驱动程序执行步骤：1、服务请求校验 确定请求的操作，检验硬件支持。2、确认设备状态 确定设备（状态寄存器）是否可用。3、启动I/O请求 若确认设备状态可用，启动I/O。4、中断处理 CPU处理I/O过程的中断。驱动程序应保存处 理器的当前状态，以便进程重新执行。5、I/O请求完成 驱动程序识别I/O完成，将控制返回IO
24、CS，将被中断的进程置为就绪。7.6 磁盘存储器管理（一）一、磁盘的工作过程 一、磁盘的工作过程 大容量磁盘(固定头磁盘）-磁盘的每条磁道上都有一个读/写磁头，并行读/写。中小型磁盘设备（活动头磁盘）-每个盘面配置一个磁头，串行读/写。-为了读/写某磁道、某扇区的数据，首先让磁头移动，寻找指定磁道，再旋转磁盘将相应扇区定位到磁头下面。磁盘驱动器发出寻道命令后便释放相关的通道控制器，以便系统用它来处理其它I/O操作。当磁臂(磁头)被移动到指定的磁道时，磁盘驱动器便开始驱动磁盘旋转，以便把指定扇区的起始位置定位到磁臂(磁头)下。一旦指定扇区的起始位置被定位到磁臂(磁头)下，磁盘驱动器便重新申请通道
25、控制器，以便建立到主机的通路。如果请求失败，磁盘驱动器将驱动磁盘旋转一周后再次申请通道控制器。7.6 磁盘存储器管理（二）主要对移动头磁盘进行讨论：二、访盘时间 二、访盘时间1、寻道时间Ts 将磁头移动到指定磁道上的时间。其中：M 常数（一般0.5，高速小于0.1）S 磁盘启动时间 n 磁头移动磁道数2、旋转延迟时间Tr 把指定扇区的起始位置置于磁头下所花费的时间。与磁盘转速有关。Tr 1/(2r)3、传输时间Tt 读/写数据的时间。Tt=b/rN 其中：r 磁盘旋转速度；N 一条磁道上的字节数；b 读/写的总字节数。Ts=m n+S7.6 磁盘存储器管理（三）问 题三类访问时间中，哪类时间最
26、长？7.6 磁盘存储器管理（四）播 放5.6 5.6 磁盘的调度与驱动磁盘的调度与驱动（二）（二）三、常用的调度算法 1、先来先服务（FCFS）按照申请服务的先后次序。未考虑寻道优化。2、最短寻道优先算法（SSTF）优先选择离磁头最近的请求。未考虑磁头来回摆动。可能出现老进程的“饥饿”现象。3、扫描算法（SCAN）既考虑请求与磁头的距离，又考虑磁头移动的方向；又称为：电梯法。4、循环扫描算法（C-SCAN）规定磁头单向移动，即将最小磁道号与最大磁道号构成循环，进行循环扫描。7.6 磁盘存储器管理（四）7.7 提高磁盘I/O速度的技术一、磁盘高速缓存（Disk Cache)把磁盘 把磁盘I/O
27、I/O缓冲区叫做磁盘高速缓存（缓冲区叫做磁盘高速缓存（Disk Cache Disk Cache），但），但它并不是一种硬件设施。事实上，磁盘 它并不是一种硬件设施。事实上，磁盘I/O I/O缓冲区仍然是内存 缓冲区仍然是内存中的一个区域。其组织形式基于程序引用的局部性原理。中的一个区域。其组织形式基于程序引用的局部性原理。其工作原理类似 其工作原理类似Cache Memory)以输入为例：当用户进程请求从磁盘上 以输入为例：当用户进程请求从磁盘上读入 读入一个扇区时，一个扇区时，系统首先在磁盘 系统首先在磁盘I/O I/O缓冲区中寻找该扇区的副本：如果能够找 缓冲区中寻找该扇区的副本：如果能
28、够找到，那么系统将从磁盘 到，那么系统将从磁盘I/O I/O缓冲区中取出该扇区的副本并返给 缓冲区中取出该扇区的副本并返给用户进程；否则，系统首先从磁盘上读入该扇区并在磁盘 用户进程；否则，系统首先从磁盘上读入该扇区并在磁盘I/O I/O缓冲区中为其建立一个副本，然后将该副本返给用户进程。缓冲区中为其建立一个副本，然后将该副本返给用户进程。其置换算法类似请求调页存储管理中的页面置换算法（LRU、NRU、LFU等）。7.7 提高磁盘I/O速度的技术最近最少使用置换算法（LRU置换算法）置换在最近一段时间内最久没有被访问过的扇区。最小访问频度置换算法（LFU置换算法）置换被引用次数最少的扇区。其置
29、换算法类似请求调页存储管理中的页面置换算法，如：二、提前读（Read Ahead)与延后写（Write Postponing）用户进程从 I/O缓冲区中取走前一个数据后立即发出对下一个数据的输入请求；即用户进程加工前一个数据的工作与OS输入下一个数据的工作可以同时进行。通常把这种I/O缓冲技术称为提前读技术。用户进程请求输出数据时，OS将很快把请求输出的数据从用户进程的工作区中取走并将其暂时存放在I/O缓冲区中，等待输出；即用户进程生成下一个输出数据的工作与OS输出前一个输出数据的工作可以同时进行。这种I/O缓冲技术称为延后写技术。7.7 RAIDRAID技术技术Redundant Array
30、 of Independent Disks Redundant Array of Independent Disks一、RAID RAID的基本特征 的基本特征 RAID由两部分构成：一组可以并行工作的磁盘所构成的磁盘阵列；及在磁盘子系统中或者在主机系统中执行的磁盘阵列管理软件。磁盘阵列管理软件把逻辑上连续的一组数据交叉分布存储在磁盘阵列中的各个磁盘上。因此磁盘阵列管理软件可以并行处理对一组数据中的单个或多个数据存取请求。磁盘阵列管理软件在存储数据的同时还将存储相关的校验信息。因此当磁盘阵列中的某个磁盘发生故障时，磁盘阵列管理软件可以恢复存储在该磁盘上的数据。由于磁盘阵列被磁盘阵列管理软件所屏
31、蔽，因此操作系统其它成份并不知道系统中存在磁盘阵列；在它们看来，系统中存在一个大容量的逻辑磁盘。7.7 RAIDRAID技术技术 效率高系统可以并行存取存储在RAID中的数据。可靠性高系统可以恢复存储在故障磁盘中的数据。性价比高磁盘阵列可以用廉价磁盘组成。二、RAID的优点7.7 RAIDRAID技术技术三、RAID的分级1、RAID 0级 行交叉存取。无校验功能。，不可靠。2、RAID1级 对数据进行镜像存储。成本较高；3、RAID2级 对数据进行Hamming编码；Hamming编码信息存放在专用的磁盘上。具有较好的数据传输性能，但I/O请求响应能力较差。4、RAID3级 具有并行传输数据的功能，存储数据的奇偶校验信息存放在专用的磁盘上。5、RAID4级 将存储数据的奇偶校验信息；存放在专用的磁盘上。6、RAID5级 具有独立传送功能，各个驱动器具有独立的数据通路，奇偶校验信息分布存储在各个磁盘上。演讲完毕，谢谢观看！