考研操作系统讲义设备管理.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 设 备 管 理,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第五章 设 备 管 理,第五章 设备管理,5.1 I/O系统,5.2 I/O控制方式,5.3 缓冲管理,5.4 设备分配,5.5 设备处理,5.6 磁盘存放器管理,第1页,5.1 I/O 系 统,5.1.1 I/O设备,1.I/O设备类型,1)按传输速率分类,按传输速度高低，可将I/O设备分为三类。第一类是低速设备，这是指其传输速率仅为每秒钟几个字节至数百个字节一类设备。属于低速设备经典设备有键盘、鼠标器、语音输入和输出等设备。第二类是中速设备，这是指其传输速率在每秒钟数千个字节至数万个字节一类设备。经典中速设备有行式打印机、激光打印机等。第三类是高速设备，这是指其传输速率在数百千个字节至数十兆字节一类设备。经典高速设备有磁带机、磁盘机、光盘机等。,第2页,2)按信息交换单位分类,可将I/O设备分成两类。第一类是块设备(Block Device)，这类设备用于存放信息。因为信息存取总是以数据块为单位，故而得名。它属于有结构设备。经典块设备是磁盘，每个盘块大小为512 B4 KB。磁盘设备基本特征是其传输速率较高，通常每秒钟为几兆位；另一特征是可寻址，即对它可随机地读/写任一块；另外，磁盘设备I/O常采取DMA方式。第二类是字符设备(Character Device)，用于数据输入和输出。其基本单位是字符，故称为字符设备。,第3页,3)按设备共享属性分类,这种分类方式可将I/O设备分为以下三类：,独占设备。,(2)共享设备。,(3)虚拟设备。,第4页,2.设备与控制器之间接口,图 5-1 设备与控制器间接口,第5页,5.1.2 设备控制器,1.设备控制器基本功效,接收和识别命令,2)数据交换,3)标识和汇报设备状态,4)地址识别,5)数据缓冲,6)差错控制,第6页,2.设备控制器组成,图 5-2 设备控制器组成,第7页,5.1.3 I/O通道,1.I/O通道(I/O Channel)设备引入,实际上，I/O通道是一个特殊处理机。它含有执行I/O指令能力，并经过执行通道(I/O)程序来控制I/O操作。但I/O通道又与普通处理机不一样，主要表现在以下两个方面：,一是其指令类型单一，这是因为通道硬件比较简单，其所能执行命令，主要局限于与I/O操作相关指令；再就是通道没有自己内存，通道所执行通道程序是放在主机内存中，换言之，是通道与CPU共享内存。,第8页,2.通道类型,1)字节多路通道(Byte Multiplexor Channel),图 5-3 字节多路通道工作原理,第9页,2)数组选择通道(Block Selector Channel),字节多路通道不适于连接高速设备，这推进了按数组方式进行数据传送数组选择通道形成。这种通道即使能够连接多台高速设备，但因为它只含有一个分配型子通道，在一段时间内只能执行一道通道程序，控制一台设备进行数据传送，致使当某台设备占用了该通道后，便一直由它独占，即使是它无数据传送，通道被闲置，也不允许其它设备使用该通道，直至该设备传送完成释放该通道。可见，这种通道利用率很低。,第10页,3)数组多路通道(Block Multiplexor Channel),数组选择通道虽有很高传输速率，但它却每次只允许一个设备传输数据。数组多路通道是将数组选择通道传输速率高和字节多路通道能使各子通道(设备)分时并行操作优点相结合而形成一个新通道。它含有多个非分配型子通道，因而这种通道既含有很高数据传输速率，又能取得令人满意通道利用率。也正所以，才使该通道能被广泛地用于连接多台高、中速外围设备，其数据传送是按数组方式进行。,第11页,3.“瓶颈”问题,图 5-4 单通路I/O系统,第12页,图 5-5 多通路I/O系统,第13页,5.1.4 总线系统,图 5-6 总线型I/O系统结构,第14页,1.ISA和EISA总线,1)ISA(Industry Standard Architecture)总线,这是为了1984年推出80286型微机而设计总线结构。其总线带宽为8位，最高传输速率为2 Mb/s。之后很快又推出了16位(EISA)总线，其最高传输速率为8 Mb/s，后又升至16 Mb/s，能连接12台设备。,2)EISA(Extended ISA)总线,到80年代末期，ISA总线已难于满足带宽和传输速率要求，于是人们又开发出扩展ISA(EISA)总线，其带宽为32位，总线传输速率高达32 Mb/s，一样能够连接12台外部设备。,第15页,2.局部总线(Local Bus),VESA(Video Electronic Standard Association)总线,2)PCI(Peripheral Component Interface)总线,第16页,5.2 I/O控制方式,5.2.1 程序I/O方式,在程序I/O方式中，因为CPU高速性和I/O设备低速性，致使CPU绝大部分时间都处于等候I/O设备完成数据I/O循环测试中，造成对CPU极大浪费。在该方式中，CPU之所以要不停地测试I/O设备状态，就是因为在CPU中无中止机构，使I/O设备无法向CPU汇报它已完成了一个字符输入操作。,第17页,图 5-7 程序I/O和中止驱动方式流程,第18页,5.2.2 中止驱动I/O控制方式,在I/O设备输入每个数据过程中，因为无须CPU干预，因而可使CPU与I/O设备并行工作。仅当输完一个数据时，才需CPU花费极短时间去做些中止处理。可见，这么可使CPU和I/O设备都处于忙碌状态，从而提升了整个系统资源利用率及吞吐量。比如，从终端输入一个字符时间约为100 ms，而将字符送入终端缓冲区时间小于 0.1 ms。若采取程序I/O方式，CPU约有 99.9 ms时间处于忙等候中。采取中止驱动方式后，CPU可利用这 99.9 ms时间去做其它事情，而仅用 0.1 ms时间来处理由控制器发来中止请求。可见，中止驱动方式能够成百倍地提升CPU利用率。,第19页,5.2.3 直接存放器访问DMA I/O控制方式,1.DMA(Direct Memory Access)控制方式引入,该方式特点是：数据传输基本单位是数据块，即在CPU与I/O设备之间，每次传送最少一个数据块；所传送数据是从设备直接送入内存，或者相反；仅在传送一个或多个数据块开始和结束时，才需CPU干预，整块数据传送是在控制器控制下完成。可见，DMA方式较之中止驱动方式，又是成百倍地降低了CPU对I/O干预，深入提升了CPU与I/O设备并行操作程度。,第20页,2.DMA控制器组成,图 5-8 DMA控制器组成,第21页,为了实现在主机与控制器之间成块数据直接交换，必须在DMA控制器中设置以下四类存放器：,(1)命令/状态存放器CR。用于接收从CPU发来I/O命令或相关控制信息，或设备状态。,(2)内存地址存放器MAR。在输入时，它存放把数据从设备传送到内存起始目标地址；在输出时，它存放由内存到设备内存源地址。,(3)数据存放器DR。用于暂存从设备到内存，或从内存到设备数据。,(4)数据计数器DC。存放此次CPU要读或写字(节)数。,第22页,3.DMA工作过程,图 5-9 DMA方式工作流程,第23页,5.2.4 I/O通道控制方式,1.I/O通道控制方式引入,I/O通道方式是DMA方式发展，它可深入降低CPU干预，即把对一个数据块读(或写)为单位干预，降低为对一组数据块读(或写)及相关控制和管理为单位干预。同时，又可实现CPU、通道和I/O设备三者并行操作，从而更有效地提升整个系统资源利用率。比如，当CPU要完成一组相关读(或写)操作及相关控制时，只需向I/O通道发送一条I/O指令，以给出其所要执行通道程序首址和要访问I/O设备，通道接到该指令后，经过执行通道程序便可完成CPU指定I/O任务。,第24页,2.通道程序,操作码。,(2)内存地址。,(3)计数。,(4)通道程序结束位P。,(5)统计结束标志R。,第25页,操作,P,R,计数,内存地址,WRITE,0,0,80,813,WRITE,0,0,140,1034,WRITE,0,1,60,5830,WRITE,0,1,300,WRITE,0,0,250,1850,WRITE,1,1,250,720,第26页,5.3 缓 冲 管 理,5.3.1 缓冲引入,缓解CPU与I/O设备间速度不匹配矛盾。,(2)降低对CPU中止频率，放宽对CPU中止响应时间限制。,(3)提升CPU和I/O设备之间并行性。,第27页,图 5-10 利用缓冲存放器实现缓冲,第28页,5.3.2 单缓冲和双缓冲,1.单缓冲(Single Buffer),图 5-11 单缓冲工作示意图,第29页,2.双缓冲(Double Buffer),图 5-12 双缓冲工作示意图,第30页,图 5-13 双机通信时缓冲区设置,第31页,5.3.3 循环缓冲,1.循环缓冲组成,图 5-14 循环缓冲,第32页,2.循环缓冲区使用,Getbuf过程。,(2)Releasebuf过程。,第33页,3.进程同时,Nexti指针追赶上Nextg指针。,(2)Nextg指针追赶上Nexti指针。,第34页,5.3.4 缓冲池(Buffer Pool),1.缓冲池组成,1.缓冲池组成,对于既可用于输入又可用于输出公用缓冲池，其中最少应含有以下三种类型缓冲区：空(闲)缓冲区；装满输入数据缓冲区；装满输出数据缓冲区。为了管理上方便，可将相同类型缓冲区链成一个队列，于是可形成以下三个队列：,（1）空缓冲队列emq。,(2)输入队列inq。,(3)输出队列outq。,第35页,2.Getbuf过程和Putbuf过程,Procedure Getbuf(type),begin,Wait(RS(type);,Wait(MS(type);,B(number)KG-*3=Takebuf(type);,Signal(MS(type);,end,Procedure Putbuf(type,number),begin,Wait(MS(type);,Addbuf(type,number);,Signal(MS(type);,Signal(RS(type);,end,第36页,3.缓冲区工作方式,图 5-15 缓冲区工作方式,第37页,5.4 设 备 分 配,5.4.1 设备分配中数据结构,1.设备控制表DCT,图 5-16 设备控制表,第38页,2.控制器控制表、通道控制表和系统设备表,图 5-17 COCT、CHCT和SDT表,第39页,5.4.2 设备分配时应考虑原因,1.设备固有属性,独享设备。,(2)共享设备。,(3)虚拟设备。,第40页,2.设备分配算法,先来先服务。,(2)优先级高者优先。,第41页,3.设备分配中安全性,安全分配方式,2)不安全分配方式,第42页,5.4.3 设备独立性,1.设备独立性(Device Independence)概念,为了提升OS可适应性和可扩展性，在当代OS中都毫无例外地实现了设备独立性，也称为设备无关性。其基本含义是：应用程序独立于详细使用物理设备。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。所以，系统须含有将逻辑设备名称转换为某物理设备名称功效，这非常类似于存放器管理中所介绍逻辑地址和物理地址概念。,第43页,在实现了设备独立性功效后，可带来以下两方面好处。,1)设备分配时灵活性,2)易于实现I/O重定向,第44页,2.设备独立性软件,1)执行全部设备公有操作,这些公有操作包含：对独立设备分配与回收；将逻辑设备名映射为物理设备名，深入能够找到对应物理设备驱动程序；对设备进行保护，禁止用户直接访问设备；缓冲管理，即对字符设备和块设备缓冲区进行有效管理，以提升I/O效率；差错控制。因为在I/O操作中绝大多数错误都与设备无关，故主要由设备驱动程序处理，而设备独立性软件只处理那些设备驱动程序无法处理错误。,第45页,2)向用户层(或文件层)软件提供统一接口,不论何种设备，它们向用户所提供接口应该是相同。比如，对各种设备读操作，在应用程序中都使用read;而对各种设备写操作，也都使用write。,第46页,3.逻辑设备名到物理设备名映射实现,逻辑设备表,2)LUT设置问题,图 5-18 逻辑设备表,第47页,5.4.4 独占设备分配程序,1.基本设备分配程序,分配设备,2)分配控制器,3)分配通道,第48页,2.设备分配程序改进,增加设备独立性,2)考虑多通路情况,第49页,5.4.5 SPOOLing技术,1.什么是SPOOLing,为了缓解CPU高速性与I/O设备低速性间矛盾而引入了脱机输入、脱机输出技术。该技术是利用专门外围控制机，将低速I/O设备上数据传送到高速磁盘上；或者相反。实际上，当系统中引入了多道程序技术后，完全能够利用其中一道程序，来模拟脱机输入时外围控制机功效，把低速I/O设备上数据传送到高速磁盘上；再用另一道程序来模拟脱机输出时外围控制机功效，把数据从磁盘传送到低速输出设备上。这么，便可在主机直接控制下，实现脱机输入、输出功效。此时外围操作与CPU对数据处理同时进行，我们把这种在联机情况下实现同时外围操作称为SPOOLing(Simultaneaus Periphernal Operating On-Line)，或称为假脱机操作。,第50页,2.SPOOLing系统组成,图 5-19 SPOOLing系统组成,第51页,3.共享打印机,共享打印机技术已被广泛地用于多用户系统和局域网络中。当用户进程请求打印输出时，SPOOLing系统同意为它打印输出，但并不真正马上把打印机分配给该用户进程，而只为它做两件事：由输出进程在输出井中为之申请一个空闲磁盘块区，并将要打印数据送入其中；输出进程再为用户进程申请一张空白用户请求打印表，并将用户打印要求填入其中，再将该表挂到请求打印队列上。,第52页,4.SPOOLing系统特点,提升了I/O速度。,(2)将独占设备改造为共享设备。,(3)实现了虚拟设备功效。,第53页,5.5 设 备 处 理,5.5.1 设备驱动程序功效和特点,1.设备驱动程序功效,(1)接收由I/O进程发来命令和参数，并将命令中抽象要求转换为详细要求，比如，将磁盘块号转换为磁盘盘面、磁道号及扇区号。,(2)检验用户I/O请求正当性，了解I/O设备状态，传递相关参数，设置设备工作方式。,第54页,(3)发出I/O命令，假如设备空闲，便马上开启I/O设备去完成指定I/O操作；假如设备处于忙碌状态，则将请求者请求块挂在设备队列上等候。,(4)及时响应由控制器或通道发来中止请求，并依据其中止类型调用对应中止处理程序进行处理。,(5)对于设置有通道计算机系统，驱动程序还应能够依据用户I/O请求，自动地组成通道程序。,第55页,2.设备处理方式,(1)为每一类设备设置一个进程，专门用于执行这类设备I/O操作.,(2)在整个系统中设置一个I/O进程，专门用于执行系统中全部各类设备I/O操作。,(3)不设置专门设备处理进程，而只为各类设备设置对应设备处理程序(模块)，供用户进程或系统进程调用。,第56页,3.设备驱动程序特点,(1)驱动程序主要是指在请求I/O进程与设备控制器之间一个通信和转换程序。,(2)驱动程序与设备控制器和I/O设备硬件特征紧密相关，因而对不一样类型设备应配置不一样驱动程序。,(3)驱动程序与I/O设备所采取I/O控制方式紧密相关。,(4)因为驱动程序与硬件紧密相关，因而其中一部分必须用汇编语言书写。,第57页,5.5.2 设备驱动程序处理过程,将抽象要求转换为详细要求,2.检验I/O请求正当性,3.读出和检验设备状态,4.传送必要参数,5.工作方式设置,6.开启I/O设备,第58页,图 5-20 中止现场保护示意图,第59页,图 5-21 中止处理流程,第60页,5.6 磁盘存放器管理,5.6.1 磁盘性能简述,1.数据组织和格式,图 5-22 磁盘格式化,第61页,2.磁盘类型,1)固定头磁盘,这种磁盘在每条磁道上都有一读/写磁头，全部磁头都被装在一刚性磁臂中。经过这些磁头可访问全部各磁道，并进行并行读/写，有效地提升了磁盘I/O速度。这种结构磁盘主要用于大容量磁盘上。,2)移动头磁盘,每一个盘面仅配有一个磁头，也被装入磁臂中。为能访问该盘面上全部磁道，该磁头必须能移动以进行寻道。可见，移动磁头仅能以串行方式读/写，致使其I/O速度较慢；但因为其结构简单，故仍广泛应用于中小型磁盘设备中。,第62页,3.磁盘访问时间,1)寻道时间,T,s,这是指把磁臂(磁头)移动到指定磁道上所经历时间。该时间是开启磁臂时间s与磁头移动,n,条磁道所花费时间之和，即,T,s,=,m,n,+,s,其中，,m,是一常数，与磁盘驱动器速度相关，对普通磁盘，,m,=0.2；对高速磁盘，,m,0.1,磁臂开启时间约为2 ms。这么，对普通温盘，其寻道时间将随寻道距离增加而增大，大致上是530 ms。,第63页,2)旋转延迟时间,T,这是指定扇区移动到磁头下面所经历时间。对于硬盘，经典旋转速度大多为5400 r/min，每转需时11.1 ms，平均旋转延迟时间,T,为5.55 ms；对于软盘，其旋转速度为300 r/min或600 r/min，这么，平均T,为50100 ms。,第64页,3)传输时间,T,t,这是指把数据从磁盘读出或向磁盘写入数据所经历时间。,T,t,大小与每次所读/写字节数,b,和旋转速度相关：,其中，,r,为磁盘每秒钟转数；,N,为一条磁道上字节数，当一次读/写字节数相当于半条磁道上字节数时，,T,t,与,T,相同，所以，可将访问时间,T,a,表示为：,第65页,5.6.2 磁盘调度,1.先来先服务FCFS(First-Come,First Served),图 5-23 FCFS调度算法,第66页,2.最短寻道时间优先SSTF(Shortest Seek Time First),图 5-24 SSTF调度算法,第67页,3.扫描(SCAN)算法,1)进程“饥饿”现象,SSTF算法即使能取得很好寻道性能，但却可能造成某个进程发生“饥饿”(Starvation)现象。因为只要不停有新进程请求抵达，且其所要访问磁道与磁头当前所在磁道距离较近，这种新进程I/O请求必须优先满足。对SSTF算法略加修改后所形成SCAN算法，即可预防老进程出现“饥饿”现象。,第68页,2)SCAN算法,图 5-25 SCAN调度算法示例,第69页,4.循环扫描(CSCAN)算法,图 5-26 CSCAN调度算法示例,第70页,5.N-Step-SCAN和FSCAN调度算法,1)N-Step-SCAN算法,在SSTF、SCAN及CSCAN几个调度算法中，都可能出现磁臂停留在某处不动情况，比如，有一个或几个进程对某一磁道有较高访问频率，即这个(些)进程重复请求对某一磁道I/O操作，从而垄断了整个磁盘设备。我们把这一现象称为“磁臂粘着”(Armstickiness)。在高密度磁盘上轻易出现此情况。N步SCAN算法是将磁盘请求队列分成若干个长度为N子队列，磁盘调度将按FCFS算法依次处理这些子队列。而每处理一个队列时又是按SCAN算法，对一个队列处理完后，再处理其它队列。当正在处理某子队列时，假如又出现新磁盘I/O请求，便将新请求进程放入其它队列，这么就可防止出现粘着现象。当N值取得很大时，会使N步扫描法性能靠近于SCAN算法性能；当N=1时，N步SCAN算法便蜕化为FCFS算法。,第71页,2)FSCAN算法,FSCAN算法实质上是N步SCAN算法简化，即FSCAN只将磁盘请求队列分成两个子队列。一个是由当前全部请求磁盘I/O进程形成队列，由磁盘调度按SCAN算法进行处理。在扫描期间，将新出现全部请求磁盘I/O进程，放入另一个等候处理请求队列。这么，全部新请求都将被推迟到下一次扫描时处理。,第72页,5.6.3 磁盘高速缓存(Disk Cache),1.磁盘高速缓存形式,是指利用内存中存放空间，来暂存从磁盘中读出一系列盘块中信息。所以，这里高速缓存是一组在逻辑上属于磁盘，而物理上是驻留在内存中盘块。高速缓存在内存中可分成两种形式。第一个是在内存中开辟一个单独存放空间来作为磁盘高速缓存，其大小是固定，不会受应用程序多少影响；第二种是把全部未利用内存空间变为一个缓冲池，供请求分页系统和磁盘I/O时(作为磁盘高速缓存)共享。此时高速缓存大小，显然不再是固定。当磁盘I/O频繁程度较高时，该缓冲池可能包含更多内存空间；而在应用程序运行得较多时，该缓冲池可能只剩下较少内存空间。,第73页,2.数据交付方式,系统能够采取两种方式，将数据交付给请求进程：,(1)数据交付。这是直接将高速缓存中数据，传送到请求者进程内存工作区中。,(2)指针交付。只将指向高速缓存中某区域指针，交付给请求者进程。,后一个方式因为所传送数据量少，因而节约了数据从磁盘高速缓存存放空间到进程内存工作区时,第74页,3.置换算法,因为请求调页中联想存放器与高速缓存(磁盘I/O中)工作情况不一样，因而使得在置换算法中所应考虑问题也有所差异。所以，现在不少系统在设计其高速缓存置换算法时，除了考虑到最近最久未使用这一标准外，还考虑了以下几点：,(1)访问频率。,(2)可预见性。,(3)数据一致性。,第75页,4.周期性地写回磁盘,在UNIX系统中专门增设了一个修改(update)程序，使之在后台运行，该程序周期性地调用一个系统调用SYNC。该调用主要功效是强制性地将全部在高速缓存中已修改盘块数据写回磁盘。普通是把两次调用SYNC时间间隔定为30 s。这么，因系统故障所造成工作损失不会超出30 s劳动量。而在MS-DOS中所采取方法是：只要高速缓存中某盘块数据被修改，便马上将它写回磁盘，并将这种高速缓存称为“写穿透、高速缓存”(write-through cache)。MS-DOS所采取写回方式，几乎不会造成数据丢失，但须频繁地开启磁盘。,第76页,5.6.4 提升磁盘I/O速度其它方法,提前读(Read-Ahead),2.延迟写,3.优化物理块分布,4.虚拟盘,第77页,5.6.5 廉价磁盘冗余阵列,1.并行交叉存取,图 5-27 磁盘并行交叉存取方式,第78页,2.RAID分级,RAID 0级。,(2)RAID 1级。,(3)RAID 3级。,(4)RAID 5级。,(5)RAID 6级和RAID 7级。,第79页,3.RAID优点,可靠性高。,(2)磁盘I/O速度高。,(3)性能/价格比高。,第80页,